Tek Değişkenli Optimizasyon OPTİMİZASYON. Gradient Tabanlı Yöntemler. Bisection (İkiye Bölme) Yöntemi

Benzer belgeler
Kısıtsız Optimizasyon OPTİMİZASYON Kısıtsız Optimizasyon

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Sayısal Çözümleme

4. HAFTA BLM323 SAYISAL ANALİZ. Okt. Yasin ORTAKCI.

EM302 Yöneylem Araştırması 2 Çok değişkenli DOP ların çözümü. Dr. Özgür Kabak

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

METASEZGİSEL YÖNTEMLER

HATA VE HATA KAYNAKLARI...

OPTİMİZASYON TEKNİKLERİ. Kısıtsız Optimizasyon

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

NEWTON RAPHSON YÖNTEMİ

bir sonraki deneme değerinin tayin edilmesi için fonksiyonun X e göre türevi kullanılır. Aşağıdaki şekil X e karşı f(x) i göstermektedir.

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

Zeki Optimizasyon Teknikleri

SAYISAL ÇÖZÜMLEME Yrd. Doç. Dr. Adnan SONDAŞ Sayısal Çözümleme

Ayrık zamanlı sinyaller için de ayrık zamanlı Fourier dönüşümleri kullanılmatadır.

1. Hafta SAYISAL ANALİZE GİRİŞ

Doğrusal Denklemler Sis./Sys. of Linear Equations

EŞİTLİK KISITLI TÜREVLİ YÖNTEMLER

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

TİPİK MODELLEME UYGULAMALARI

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

ALTIN ORAN ARAMA (GOLDEN SECTION SEARCH) METODU

Mesleki Terminoloji. Sayısal Analiz DERSİ VEREN: ARŞ. GRV. DR. GÖKSEL BİRİCİK MEHMET EMRE ÖNDER DOĞAÇ CEM İŞOĞLU

SAYISAL ANALİZ. Doç. Dr. Cüneyt BAYILMIŞ. Sayısal Analiz. Doç.Dr. Cüneyt BAYILMIŞ

Başlangıç Temel Programının Bilinmemesi Durumu

Yöneylem Araştırması II

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ SOSYAL BİLİMLER ENSTİTÜSÜ EKONOMETRİ ANABİLİM DALI EKONOMETRİ DOKTORA PROGRAMI

NÜMER IK ANAL IZ. Nuri ÖZALP. Sabit Nokta ve Fonksiyonel Yineleme. Bilimsel Hesaplama Matemati¼gi

EM302 Yöneylem Araştırması 2 Doğrusal Olmayan Programlamaya Giriş. Dr. Özgür Kabak

GÜZ DÖNEMİ ARASINAV SORULARI. 1. Sayısal çözümleme ve fonksiyonu tanımlayarak kullanıldığı alanları kısaca açıklayınız?

OPTİMİZASYON TEKNİKLERİ-2. Hafta

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Denklemdeki E ve F değerleri kökün aranacağı ÒEßFÓ sınır değerleri veya ilk değerler olarak tanımlanabilir. Denklem (1.12) de kök

KISITLI OPTİMİZASYON

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

TAMSAYILI PROGRAMLAMA

İleri Diferansiyel Denklemler

OPTİMİZASYON TEKNİKLERİ. Kısıtsız Optimizasyon (Devam)

İleri Diferansiyel Denklemler

Altın Oran Arama Metodu(Golden Search)

YZM ALGORİTMA ANALİZİ VE TASARIM DERS#1: ALGORİTMA KAVRAMI

DOĞRUSAL PROGRAMLAMADA DUALİTE (DUALITY)

3.2. DP Modellerinin Simpleks Yöntem ile Çözümü Primal Simpleks Yöntem

İstatistik ve Olasılık

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ Bölüm 1 SAYILAR 11 Bölüm 2 KÜMELER 31 Bölüm 3 FONKSİYONLAR

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Genel Graf Üzerinde Mutlak 1-merkez

Kübik Spline lar/cubic Splines

Bilgisayar Programlamaya Giriş I KAREKÖK BULMA Acaba hesap makinesi bir sayının karekökünü nasıl buluyor? başlangıç değeri olmak üzere,

Fonksiyon Optimizasyonunda Genetik Algoritmalar

Cebirsel Fonksiyonlar

HESSİEN MATRİS QUADRATİK FORM MUTLAK ve BÖLGESEL MAKS-MİN NOKTALAR

6. HAFTA DERS NOTLARI İKTİSADİ MATEMATİK MİKRO EKONOMİK YAKLAŞIM. Yazan SAYIN SAN

Denklem Çözümünde Açık Yöntemler

Bir özvektörün sıfırdan farklı herhangi bri sabitle çarpımı yine bir özvektördür.

MAK1010 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BİLGİSAYAR UYGULAMALARI

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

biçimindeki ifadelere iki değişkenli polinomlar denir. Bu polinomda aynı terimdeki değişkenlerin üsleri toplamından en büyük olanına polinomun dereces

Bölüm 2. Bir boyutta hareket

PARÇACIK SÜRÜ OPTİMİZASYONU BMÜ-579 METASEZGİSEL YÖNTEMLER YRD. DOÇ. DR. İLHAN AYDIN

Mühendislikte Sayısal Çözüm Yöntemleri NÜMERİK ANALİZ. Prof. Dr. İbrahim UZUN


Sayısal Yöntemler (MFGE 301) Ders Detayları

ÜNİTE. MATEMATİK-1 Doç.Dr.Murat SUBAŞI İÇİNDEKİLER HEDEFLER TÜREV UYGULAMALARI-I

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

Yatırım Analizi ve Portföy Yönetimi 5. Hafta

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

Fonksiyon Minimizasyonunda Simulated Annealing Yöntemi

Genetik Algoritmalar. Bölüm 1. Optimizasyon. Yrd. Doç. Dr. Adem Tuncer E-posta:

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - III

İleri Diferansiyel Denklemler

d) x - y = 0 e) 5x -3y = 0 f) 4x -2y = 0 g) 2x +5y = 0

SAYISAL ÇÖZÜMLEME. Yrd.Doç.Dr.Esra Tunç Görmüş. 1.Hafta

MATEMATiKSEL iktisat

Prof. Dr. Mahmut Koçak.

Newton Metodu. Nümerik Kök Bulma. Mahmut KOÇAK ESOGU FEN-ED.FAK. MATEMATİK BÖLÜMÜ. mkocak

BULANIK MANTIK VE SİSTEMLERİ BAHAR DÖNEMİ ÖDEV 1. Müslüm ÖZTÜRK Bilişim Teknolojileri Mühendisliği ABD Doktora Programı

YÖNEYLEM ARAŞTIRMASI - I

İktisat bilimi açısından optimizasyon, amacımıza en uygun olan. seçeneğin belirlenmesidir. Örneğin bir firmanın kârını

GENETİK ALGORİTMALARA GİRİŞ (II) BİNARİ KODLANMIŞ GA

VERİ MADENCİLİĞİ. Karar Ağacı Algoritmaları: SPRINT algoritması Öğr.Gör.İnan ÜNAL

ÇEV 2006 Mühendislik Matematiği (Sayısal Analiz) DEÜ Çevre Mühendisliği Bölümü Doç.Dr. Alper ELÇĐ

Bölüm 9 KÖK-YER EĞRİLERİ YÖNTEMİ

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İleri Diferansiyel Denklemler

Lineer Programlama. Doğrusal terimi, hem amaç hem de kısıtları temsil eden matematiksel fonksiyonların doğrusal olduğunu gösterir.

İleri Yöneylem Araştırması Uygulamaları Tam Sayılı Programlama

OPTIMIZASYON Bir Değişkenli Fonksiyonların Maksimizasyonu...2

Doç. Dr. Metin Özdemir Çukurova Üniversitesi

Çözümlü Limit ve Süreklilik Problemleri

Makine Öğrenmesi 2. hafta

KONU 4: DOĞRUSAL PROGRAMLAMA MODELİ İÇİN ÇÖZÜM YÖNTEMLERİ I

Türev Uygulamaları. 9.1 Ortalama Değer teoremi

Sembolik Programlama1. Gün. Sembolik Programlama. 20 Eylül 2011

1 Lineer Diferansiyel Denklem Sistemleri

KARINCA KOLONİ ALGORİTMASI BMÜ-579 Meta Sezgisel Yöntemler. Yrd. Doç. Dr. İlhan AYDIN Fırat Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

Transkript:

OPTİMİZASYON Gerçek hayatta, çok değişkenli optimizasyon problemleri karmaşıktır ve nadir olarak problem tek değişkenli olur. Bununla birlikte, tek değişkenli optimizasyon algoritmaları çok değişkenli yöntemlerin temel taşıdır. Bu algoritmalar çok değişkenli problemlerin alt problemlerini şekillendirir. Literatürde çok sayıda yöntem vardır, her birinin diğerlerine göre eşsiz üstünlükleri bulunmaktadır. 2 Yöntemleri Gradient Tabanlı Yöntemler Eğim (Gradient) Tabanlı Teknikler Bisection Yöntemi Newton-Raphson Yöntemi Secant Yöntemi Kübik Polinomial Yöntemi ÇÖZÜM TEKNİKLERİ Direkt Arama Teknikleri Altın Kesim Yöntemi Fibonacci Araması Yöntemi Diğer Yöntemler Adından da anlaşılacağı gibi, gradyan tabanlı algoritmalar türev bilgisi gerektirir. Bu yöntemler, türevlerin kolayca hesaplanabileceği problemlere uygulanırlar. Bu algoritmaların arama işlemlerinde, fonksiyonun türevi sıfıra çekilir. Algoritma, fonksiyonun türevi sıfıra çok yakın olduğunda sona erer ve karşılık gelen x, fonksiyonun minimum olduğu nokta (x * = x) olarak bildirilir. 3 4 Bisection (İkiye Bölme) Yöntemi Bir fonksiyonun maksimum veya minimumum noktasının f (x) = 0 noktasında olduğunu biliyoruz. Bu tür problemlerde minimizasyon yönlü tek modlu bir fonksiyonu incelediğimiz için, gradient (eğim) fonksiyonun minimum noktasında kaybolur. Gradient fonksiyonu optimum nokta yakınında işaret değiştirir. Eğer f (x1) ve f (x2) fonksiyonun x1 ve x2 noktasında hesaplanan türevleri ise, f (x1)f (x2) < 0 olduğunda fonksiyonun minimumu x1 ve x2 arasında olur. Bu şart temel alındığında, arama uzayının belirli bölgeleri ortadan kaldırılabilir. Bisection (İkiye Bölme) Yöntemi Algoritması 5 6 1

Newton-Raphson Yöntemi Bu algoritmada a ve b, fonksiyonun sınırlarıdır ve Δx türevin hesaplanması için merkezi fark formülünde kullanılır ve ε, a b < ε olduğunda algoritmayı sonlandırmak için gereken küçük bir sayıdır. Isaac Newton, bir denklemin kökünü bir dizi polinomial kullanarak değerlendirdi. Bu formdaki yöntem, 1960 yılında Joseph Raphson tarafından, bir iterasyon formunda verilen x'e ardışık yaklaşım ile oluşturulmuştur. Newton Raphson yöntemi denklemin kökünün f (x) = 0 da olduğunu değerlendiren bir kök bulma tekniğidir. 7 8 Newton-Raphson Yönteminin Algoritması Newton-Raphson Yönteminin Dezavantajları Yakınsama ilk tahmine duyarlı. Bazı başlangıç tahminleri için, yöntem farklı eğilimler gösterebilir. Gradient değeri sıfıra yakın olduğunda yakınsama yavaşlar. Fonksiyonun ikinci türevi mevcut olmalıdır. Newton Raphson metodu, fonksiyonun ikinci türevini gerektirir ve bu yöntemin yakınsaması, iyi bir ilk tahmine dayanır. 9 10 Secant Yöntemi İkiye ayırma yönteminde, türevinin işareti, f (x) ın sıfırını bulmak için kullanıldı. Sekant yönteminde, f (x) sıfırını bulmak için hem büyüklük hem de türevin işareti kullanılır. Sekant yöntemindeki ilk adım, ikiye ayırma yöntemindeki ile aynıdır. Yani, eğer f (x1) ve f (x2) fonksiyonun x1 ve x2 noktasında hesaplanan türevleri ise, f (x1)f (x2) < 0 olduğunda fonksiyonun minimumu x1 ve x2 arasında olur. Ayrıca, f (x) in x1 ve x2 noktaları arasında doğrusal olarak değiştiği varsayılmaktadır. İki nokta x1 ve x2 arasında bir sekant çizgisi çizilir. Sekant çizgisinin x eksenini geçtiği nokta α, bir sonraki iterasyonda iyileştirilmiş nokta olarak alınır Daha sonra, x1 veya x2 noktalarından biri, daha önce bahsedilen türev koşulu kullanılarak elimine Böylece ya (x1, α) ya da (α, x2) bölgesi bir sonraki iterasyon için korunur. İterasyon f (α) sıfıra yaklaşıncaya kadar devam eder. 11 12 2

Secant Yöntemi Algoritması Kübik Polinomial Uyum Bu yöntemde, minimize edilecek f (x) fonksiyona, bir kübik polinom P (x) ile yaklaşılır. F (x) fonksiyonu dört farklı noktada değerlendirilirse, o zaman polinom katsayıları a0, a1, a2 ve a3, dört eşzamanlı lineer denklem çözülerek değerlendirilebilir. Alternatif olarak, fonksiyonun ve türevlerinin değeri iki noktada mevcut ise, polinom katsayıları yine de değerlendirilebilir. Fonksiyon için bir polinom yaklaşıldığında, minimum nokta polinom katsayıları kullanılarak değerlendirilebilir. 13 14 Kübik Polinomial Uyum Yöntemi Algoritması Direkt Arama Yöntemleri Bazı optimizasyon problemleri için, x değişkeni gerçek olmayabilir, fakat sadece belirli ayrık, kesikli değerler alabilir. Böyle süreksiz fonksiyonlar için, gradient bilgileri her noktada mevcut olmayacaktır. Arama algoritması, fonksiyonun minimum seviyesine ulaşmak için fonksiyon değerlendirmelerini kullanarak ilerlemelidir. Altın oran yöntemi, bu tür problemler için çok etkili bir çözüm yöntemidir. Altın oran yöntemi sürekli fonksiyonlara da uygulanabilir. Dichotomous arama, aralık yarılama yöntemi ve Fibonacci yöntemi gibi diğer doğrudan arama yöntemleri vardır. 15 16 Altın Oran Yöntemi Bu şart sağladığında p ve q sayıları altın oranlıdır. Bu kuadratik denklemin çözümünden aşağıdaki değer elde Bu sayıya altın oran denir ve estetikte önemlidir. Örneğin; Mısır piramitleri vs. 17 Altın oran yönteminde, arama sadece belirli bölgelerdeki fonksiyon değerlendirmelerine dayanarak belirli bölgeler elimine edilerek rafine Altın oran yönteminde gradient hesaplama gerekmez. Bu yöntemin, diğer bölge eleme teknikleri üzerinde iki önemli avantajı vardır: Her adımda sadece bir yeni fonksiyon değerlendirmesi gereklidir. Her adımda sabit bir azaltma faktörü vardır. 18 3

Altın Oran Yöntemi Algoritması Çözüm Yöntemlerinin Karşılaştırılması Bir fonksiyonun minimumunu bulmak için bir takım çözüm yöntemleri tanımladıktan sonra, belirli bir problem için hangi çözüm yönteminin kullanılacağını sormak doğaldır. Cevap oldukça basittir: her türlü problem için tek bir yöntem kullanılamaz. Farklı problemler için farklı yöntemler denenebilir. Test problemi kullanarak her bir yöntemin verimliliğini inceleyelim. 19 20 Yöntemleri test etmek için aşağıdaki fonksiyon kullanılmıştır. Test problemi için maliyet fonksiyonu 21 Farklı çözüm yöntemlerinin karşılaştırılması 22 Tablo 1, fonksiyonun minimum seviyesine ulaşmasında her yöntemin gerektirdiği fonksiyon değerlendirmelerinin sayısını özetlemektedir. Altın oran, kübik polinomiyal uyum ve Newton Raphson yöntemleri, fazlasıyla çarpık olan fonksiyonu dışındaki tüm test problemleri için iyi sonuç verir. Newton Raphson metodu, yakınsama için iyi bir ilk tahmin gerektirir. İlk tahmin x = 5 ile yakınsama için 275 fonksiyon değerlendirmesini gerektirir. Yöntem x <5 ile yakınsama için daha az fonksiyon değerlendirmesini gerektirir. Ancak, x> 10 için yöntem sapar. Kübik polinomiyal uyum bu özel fonksiyon için yakınsamaz. Bütün test fonksiyonları için altın oran ve bisection yöntemleri yakınsadı. 23 24 4

Tablo 1: Farklı problemler için farklı çözüm tekniklerinin karşılaştırılması 25 5