Multi-objective optimization — אופטימיזציה רב-קריטריונית

From Systems analysis Wiki
Jump to navigation Jump to search

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: minxS{f1(x),f2(x),,fk(x)} כאשר Sn — קבוצה לא ריקה של פתרונות אפשריים, ו-fi:S — פונקציות המטרה (k2)[3]. הווקטור f(x)=(f1(x),,fk(x)) 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 xS שלא קיים פתרון אחר xS כך ש-fi(x)fi(x) לכל i=1,,k, ובנוסף fj(x)<fj(x) לפחות למדד אחד j[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 xS שלא קיים פתרון אחר xS כך ש-fi(x)<fi(x) לכל i.

תכונות מרכזיות ומשפטים

  • משפט הסכום המשוקלל: בבעיות קמורות (שבהן כל הפונקציות fi(x) והקבוצה S קמורות), כל פתרון אופטימלי לפי פארטו x הוא פתרון של בעיית מינימיזציה סקלרית של הסכום המשוקלל של הקריטריונים minxSi=1kwifi(x) עבור קבוצה כלשהי של משקלות אי-שליליות wi0. 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 f1(x)=x1 ו-f2(x)=x2 תחת האילוץ x1+x21, x1,x20. כאן שיפור קריטריון אחד (לדוגמה, הגדלת x1) מוביל בהכרח להרעה בקריטריון האחר (הקטנת x2). קבוצת הפתרונות האופטימליים לפי פארטו היא קטע הישר x1+x2=1.
  • בעיה לא-קמורה: מינימיזציה של f1(x)=x2 ו-f2(x)=(x2)2 על הקטע [0,2]. חזית פארטו היא לא-קמורה. שיטת הסכומים המשוקללים עם משקלות חיוביות לא תוכל למצוא פתרונות בתוך קטע זה (לדוגמה, בנקודה x=1), מכיוון שהצירוף הלינארי של הקריטריונים יגיע למינימום רק בנקודות הקצה x=0 או x=2[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 ε: מבוצעת אופטימיזציה של קריטריון אחד, בעוד שהשאר הופכים לאילוצים מהצורה fi(x)εi. 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

  1. "Многокритериальная оптимизация". Википедия. [1]
  2. Трифонов А. Г. Многокритериальная оптимизация. Matlab Exponenta. [2]
  3. 3.0 3.1 "Multi-objective optimization". Encyclopedia of Mathematics. [3]
  4. 4.0 4.1 Ehrgott, M. (2012). Vilfredo Pareto and Multi-objective Optimization. Documenta Mathematica, Extra Volume ISMP, 447–453. [4]
  5. Соболь И. М., Статников Р. Б. (2006). Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями (2-е изд.). Дрофа.
  6. 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. 7.0 7.1 Miettinen, K. (1998). Nonlinear Multiobjective Optimization. Kluwer Academic Publishers.
  8. Ehrgott, M. (2005). Multicriteria Optimization (2nd ed.). Springer-Verlag.
  9. 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]