Multi-objective optimization — אופטימיזציה רב-קריטריונית
אופטימיזציה רב-קריטריונית (נקראת גם תכנות רב-קריטריוני, באנגלית: multi-objective optimization, multi-criteria optimization) — היא ענף של אופטימיזציה מתמטית העוסק בבעיות של אופטימיזציה בו-זמנית לפי שתי פונקציות מטרה (קריטריונים) או יותר, אשר בדרך כלל מתנגשות זו בזו[1][2]. באופן פורמלי, הבעיה נוסחת כמינימיזציה של פונקציית מטרה וקטורית על קבוצת הפתרונות האפשריים.
הגדרה ומינוח
בעיית האופטימיזציה הרב-קריטריונית בצורתה הכללית נכתבת באופן הבא: כאשר — קבוצה לא ריקה של פתרונות אפשריים, ו- — פונקציות המטרה ()[3]. הווקטור נקרא וקטור המטרה.
בניגוד לאופטימיזציה סקלרית, בניסוח הרב-קריטריוני בדרך כלל אין פתרון יחיד המשפר את ערכי כל הקריטריונים בו-זמנית. לכן, המושג הקלאסי של אופטימום מוכלל באמצעות מושג האופטימליות לפי פארטו[4].
- פתרון פארטו (פתרון אופטימלי לפי פארטו, או פתרון יעיל): פתרון אפשרי שלא קיים פתרון אחר כך ש- לכל , ובנוסף לפחות למדד אחד [3][4]. במילים אחרות, פתרון הוא אופטימלי לפי פארטו אם אי אפשר לשפר ערך של קריטריון כלשהו מבלי להרע לפחות קריטריון אחד אחר.
- חזית פארטו (או קבוצת פארטו): קבוצת כל וקטורי המטרה המתאימים לפתרונות האופטימליים לפי פארטו.
- פתרון אופטימלי חלש לפי פארטו: פתרון שלא קיים פתרון אחר כך ש- לכל .
תכונות מרכזיות ומשפטים
- משפט הסכום המשוקלל: בבעיות קמורות (שבהן כל הפונקציות והקבוצה קמורות), כל פתרון אופטימלי לפי פארטו הוא פתרון של בעיית מינימיזציה סקלרית של הסכום המשוקלל של הקריטריונים עבור קבוצה כלשהי של משקלות אי-שליליות . עם זאת, בבעיות לא-קמורות שיטה זו עשויה שלא למצוא חלקים מסוימים של חזית פארטו[5][6].
- תנאי האופטימליות של Karush–Kuhn–Tucker (KKT): תנאים הכרחיים לאופטימליות בבעיות חלקות מוכללים לפתרון הרב-קריטריוני. בנקודת אופטימום פארטו קיימת קבוצה לא-אפסית של מכפילים (משקלות) אי-שליליים, שעבורם גרדיאנטי פונקציות המטרה והאילוצים הפעילים תלויים לינארית[7].
- תכונות קבוצת הפתרונות: לחזית פארטו ישנן מספר מאפיינים איכותיים חשובים. גבולה תחום על ידי הנקודה האידיאלית (המורכבת מהמינימומים האיבריים של כל הקריטריונים) ונקודת הנאדיר (מהמקסימומים האיבריים על החזית)[7].
דוגמאות
- בעיה לינארית: מינימיזציה של ו- תחת האילוץ , . כאן שיפור קריטריון אחד (לדוגמה, הגדלת ) מוביל בהכרח להרעה בקריטריון האחר (הקטנת ). קבוצת הפתרונות האופטימליים לפי פארטו היא קטע הישר .
- בעיה לא-קמורה: מינימיזציה של ו- על הקטע . חזית פארטו היא לא-קמורה. שיטת הסכומים המשוקללים עם משקלות חיוביות לא תוכל למצוא פתרונות בתוך קטע זה (לדוגמה, בנקודה ), מכיוון שהצירוף הלינארי של הקריטריונים יגיע למינימום רק בנקודות הקצה או [8].
מושגים קשורים ויישומים
אופטימיזציה רב-קריטריונית קשורה קשר הדוק לקבלת החלטות רב-קריטריונית (MCDM), העוסקת בבחירת החלופה הטובה ביותר תוך התחשבות בהעדפות מקבל ההחלטות. השיטות העיקריות להמרת בעיה רב-קריטריונית לסקלרית (סקלריזציה) כוללות:
- שיטת הסכום המשוקלל.
- שיטת אילוצי : מבוצעת אופטימיזציה של קריטריון אחד, בעוד שהשאר הופכים לאילוצים מהצורה . שיטה זו מסוגלת למצוא פתרונות בחלקים לא-קמורים של החזית[9].
אופטימיזציה רב-קריטריונית נמצאת בשימוש נרחב בתכנון הנדסי, בכלכלה (לדוגמה, אופטימיזציה של תיק השקעות), בניהול ובאקולוגיה.
ראו גם
- אופטימליות לפי פארטו
- אופטימיזציה וקטורית
- תורת קבלת ההחלטות
- מערכות תמיכה בקבלת החלטות
- חקר ביצועים
הערות
- ↑ "Многокритериальная оптимизация". Википедия. [1]
- ↑ Трифонов А. Г. Многокритериальная оптимизация. Matlab Exponenta. [2]
- ↑ 3.0 3.1 "Multi-objective optimization". Encyclopedia of Mathematics. [3]
- ↑ 4.0 4.1 Ehrgott, M. (2012). Vilfredo Pareto and Multi-objective Optimization. Documenta Mathematica, Extra Volume ISMP, 447–453. [4]
- ↑ Соболь И. М., Статников Р. Б. (2006). Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями (2-е изд.). Дрофа.
- ↑ Marler, R. T., & Arora, J. S. (2010). The weighted sum method for multi-objective optimization: new insights. Structural and Multidisciplinary Optimization, 41(6), 853-862. [5]
- ↑ 7.0 7.1 Miettinen, K. (1998). Nonlinear Multiobjective Optimization. Kluwer Academic Publishers.
- ↑ Ehrgott, M. (2005). Multicriteria Optimization (2nd ed.). Springer-Verlag.
- ↑ Mavrotas, G. (2009). Effective implementation of the ε-constraint method in Multi-Objective Mathematical Programming problems. Applied Mathematics and Computation, 213(2), 455-465. [6]