Subject Areas : تحقیق در عملیات
Elahe hajimohamadi 1 , Mansour Saraj 2 * , مریم مومنی 3 , فاطمه کیانی 4
1 - Department of Mathematics,
Ahvaz Branch,
Islamic Azad University,
Ahvaz-Iran
2 - Department of Mathematics , Faculty of Mathematical Sciences , and Computer, Shahid Chamran University of Ahvaz, , Ahvaz-IRAN|Department of mathematics, Islamic Azad University, Ahvaz branch, Ahvaz-Iran
3 - Department of mathematics, Islamic Azad University, Ahvaz branch, Ahvaz-Iran
4 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهواز،گروه ریاضی،
Keywords: برنامه ریزی عدد صحیح", , ", تقریب تکه خطی", برنامه ریزی هندسی", برنامه ریزی چندهدفه", ",
Abstract :
Abstract Combination of geometric programming (GP) via integer variables is one of the interesting and significant subjects in many optimization areas that has been attracted the attention of many researchers in last few decades. Since practically and in the real problems we can not consider only real variables, therefore integer variables play a very important role in such problems.Our goal in this paper is to consider a multi-objective geometric programming problem (MOGPP) with integer variables. We convert the problem in to a mixed integer non-linear programming problem on using the piecewise linear technique. In this approach each of the objective function in MOGPP is approximated on using the piecewise linear approximation. Then we solve the problem by using the weighted method and find the integer solution to the problem by applying the non-linear branch- and – bound method. Keywords: geometric programming, multi-objective programming, mixed integer non- linear programming, branch-and-bound algorithm
1. Dinkel J.J, Ellott W.H, and Kochenberger G. A. Computational aspects of cutting – plane algorithms for geometric programming problems. Springer, Mathematical programming, 13 (1): 200-220 (1977)
2. Alves M.J., and Climaco J. An interactive reference point approach for multi-objective mixed-integer programming using branch-and-bound. Elsevier, European journal of operational research, 124(31): 478-494 (2000).
3. Leyffer J., Linderoth J., Luedtke J., Andrew M., and Muson M. Application and algorithms for mixed integer non-linear programming. Journal of physics, conference series 180(1),(2009)
4. Melo W., Fampa M., and Raupp F. Integrating non-linear branch-and-bound and outer approximation for convex mixed integer non-linear programming. Springer, Journal of global optimization 60(2): 373-389(2014)
5. Dua V. Mixed integer polynomial programming. Computer and chemical engineering, 72:387-394(2015)
6. Lundell A., and Westerlund T. solving global optimization problems using reformulations and signomial transformation. Elsevier, Computer and chemical engineering, 116: 122-134(2018)
7. Shen P., and Zhang K. Global optimization of signomial geometric programming using linear relaxation. Elsevier, Applied mathematics and computational, 150(1): 99-114(2004)
8. Lundell A., Westerlund J., and Westerlund T. Some transformation techniques with applications in global optimization. Springer, Journal of global optimization, 43 (2-3): 391-405(2009)
9. Ansari M.A., and Hasanifard F. Solution of mixed integer nonlinear and non-convex optimization problem by convexification methods based on special ordered sets. (1):71-85(2017)
10. Lundell A., Skjӓl A., and Westerlund T. A reformulation framework for global optimization. Springer, Journal of global optimization, 57(1):115-141(2013)
11. Ali F.M. Technique for solving multi-objective nonlinear programming using differential equations approach. Journal of information and optimization sciences, 18 (3): 351-357(1977)
12. Roy T.K. Multi-objective geometric programming and its application in an inventory model. Fuzzy Multi-Criteria Decision Making: 539-566(2008)
13. Ehrott M.A discussion of secularization techniques for multiple objective integer programming .Annals of operation research 147(1): 343-360(2006)
14. Ojha A, and Biswal K. Multi-objective geometric programming problem with weighted mean method. arXiv preprint arXiv: 1003.1477(2010)
15. Bazikar F, and saraj M .solving linear multi-objective geometric problems via reference point approach.Sains Malaysian 43(8): 1271-1274(2014)
16. Tsai J.F., and Lin M.H. An efficient global approach for posynomial geometric programming problems. Informs journal on computing23 (3): 483-492(2011)
17. Forest J, and Tomlin J. Branch-and bound, integer and non-integer programming. Annals of operation research 149(1): 81-87(2007)
18. Hemmeck R, Koppe M, Lee J, and Weismantel R. Non-linear integer programming.50 Years of integer programming: 561-618(2010)
19. Belotti P, Kriches C, Leyffer S, Linderott J, Luedtke J, and Mahajon A. mixed integer non-linear optimization. Publish by Cambridge University (2013)
20. Tsang C.L., Zhan Y, Zheng Q.P., and Kumar M. A mixed integer linear programming formulation generalized geometric programming using piece-wise linear approximation. European journal of operational research 245(2):360-370(2015)
21.Boyd S, Kim S.J., Vandenbergh L, and Hassibi A. A tutorial on geometric programming. Optimization and engineering8 (1): 1-67(2007)
22. Steure R.E., and Wiley. Multiple criteria optimization: theory, computation, and application. New York,(1986)
23.Hatami-Marbini A ,Rostamy-Malkhalifeh M, Agrell PJ,Tavana M.Extended symmetric and asymmetric weight assignment methods in data envelopment analysis. computers and industrial engineering 8(7):621-631(2015)
24.Razipour-Ghalehjough S, Hosseinzadeh lotfi F ,jahanshahloo G.Finding closest target for bank branches in the presence of weight restrictions using data envelopment analysis.
25. Z. Mousavi1, M. Saraj , Multi Objective Geometric Programming with Interval Coefficients: A Parametric Approach. Earthline Journal of Mathematical Sciences,Volume 2, Number 2, 2019, Pages 395-407
دسترسي در سايتِ http://jnrm.srbiau.ac.ir
سال نهم، شماره چهل و چهارم، مهر و آبان 1402
|
حل مسائل چندهدفه هندسی با رویکرد اعداد صحیح
الهه حاجیمحمدی1، منصور سراج21، مریم مومنی1، فاطمه کیانی1
(1) گروه ریاضی، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران
(2) گروه ریاضی، دانشکده علوم ریاضی و کامپیوتر، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
تاريخ ارسال مقاله: 22/08/1400 تاريخ پذيرش مقاله: 31/03/1401
چکيده
ترکیب مسائل چندهدفه هندسی با متغیرهای صحیح یکی از موضوعات جالب و قابل توجه در بسیاری از زمینههای بهینهسازی است که توجه بسیاری از محققین را در چند دهه اخیر به خود جلب کرده است. با توجه به اینکه در مسائل عملی و کاربردی نمیتوان فقط متغیرهای حقیقی را در نظر گرفت، لذا در نظر گرفتن متغیرها به شکل صحیح از اهمیت ویژهای در این نوع از مسائل برخوردار میباشد. هدف ما در این مقاله بررسی یک مسئله برنامهریزی هندسی چندهدفه با متغیرهای عدد صحیح است. با استفاده از تکنیک تقریب تکه خطی مسئله را به یک مسئله برنامهریزی غیرخطی عدد صحیح آمیخته تبدیل میکنیم. سپس با روش وزندهی مسئله را حل کرده و با استفاده از روش غیرخطی شاخه و کران، جواب صحیح را پیدا میکنیم.
واژههاي کليدي: برنامهریزی هندسی، برنامهریزی چندهدفه، برنامهریزی عدد صحیح، تقریب تکه خطی.
[1] عهدهدار مکاتبات: Email: msaraj@scu.ac.ir
مقدمه:
مسائل چند هدفه هندسی، نوع خاصی از مسائل بهینهسازی میباشد که برای حل نوع خاصی از مسائل برنامهریزی غیرخطی با محدودیتهای خطی و یا غیرخطی کاربرد دارند. یکی از اهداف فرمولبندی مسائل هندسی تبدیل مسائل عملی و کاربردی مانند مسائل مهندسی و یا طراحی به فرم هندسی آنها میباشد. با توجه به اینکه در مسائل عملی و کاربردی نمیتوان فقط متغیرهای حقیقی را در نظر گرفت، در نظر گرفتن متغیرها به شکل صحیح از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. بنابراین مسائل برنامهریزی هندسی با متغیرهای صحیح از دسته مسائل مهم در ریاضیات میباشد. برای حل مسائل هندسی با متغیرهای صحیح تحقیقات بیشماری صورت گرفته است. در سال 1960، کاربردهای زیادی در زمینههای ریاضی، شیمی، مهندسی، آمار و اقتصاد و .... از مسائل هندسی مطرح شده است. بسیاری از مقالات بهینهسازی در زمینه مهندسی، علمی و کاربردهای آنها که شامل مسائل سیستمهای غیرخطی با متغیرهای تصمیم گسسته و یا دینامیکی میباشند، نیز ارائه شدهاند. همچنین در نظر گرفتن متغیرهای صحیح و سیستمهای غیرخطی مسائل بهینهسازی در فضای گسسته را حل مینماید. امروزه بسیاری از مقالات مهم بهینهسازی شامل متغیرهای دو دویی و صحیح با سیستمهای غیرخطی برای حل اینگونه مسائل ارئه شدهاند. در مقالات متعددی روشهایی برای حل اینگونه از مسائل ارائه شده است. در سال 1977،دینکل و همکارانش یک الگوریتم صفحه برشی را ارائه کردند که برای مسائل برنامهریزی هندسی با توابع پوزینومیال کاربرد دارد.[1] در سال 1999، آلوس یک مسئله چندهدفه هندسی با متغیرهای صحیح را با روش نقطه مرجعی و با استفاده از الگوریتم شاخه و کران حل نمود.[2] همچنین الگوریتمها و کاربردهای متفاوتی برای مسائل برنامهریزی غیرخطی صحیح آمیخته توسط لیفر در سال 2009 بیان شد.[3] وندل ملو و همکارانش در سال 2014 الگوریتمی ارائه کردند که تعمیمیافته الگوریتم شاخه و کران برای مسائل برنامهریزی خطی میباشد.[4] همچنین وسترلوند و همکارانش در مقالهای در سال 2008 الگوریتمی برای حل مسائل برنامهریزی هندسی با اعداد صحیح ارائه کردند که در آن از مجموعه مرتب خاص نوع دوم1استفاده نموده است.[5] در سالهای اخیر برخی روشهای نسبی و سراسری برای حل مسائل هندسی در مقالات متعددی مطرح شده است. شن و همکارانش در مقالهای در سال 2004 بهینهسازی سراسری برای مسائل هندسی با توابع سیگنومیال مطرح کردند که در آن از آزادسازی خطی استفاده شده است. [6] همچنین لاندل روش بهینهسازی سراسری برای مسائل برنامهریزی غیرخطی با متغیرهای صحیح در سال 2018 ارائه داد. [7]
تقریب محدب توابع پوزینومیال:
تقریب محدب تابع پوزینومیال یکی از مباحث مهم و کاربردی در روشهای بهینهسازی است. بهترین تقریب محدب باید شامل حداقل تعداد متغیرها و محدودیتها باشد .تقریب توانی منفی یکی از روشهای مهم و کاربردی محدبسازی توابع پوزینومیال میباشد.برای بیان این روش گزارهی زیر را بیان مینماییم.
گزاره 1:
تابع مونومیال دو بار مشتقپذیر زیر را در نظر بگیرید که . این تابع محدب میباشد اگر .
با توجه به گزارهی فوق، برای محدب کردن یک تابع مونومیال میتوان از تبدیل توانی منفی با توجه به تبصره زیر استفاده کرد.
تبصره 1:
اگر و اگر 𝛾j>0 آنگاه میتوان را به تبدیل کرد بطوریکه و و تابع تقریب تکه خطی میباشد. آنگاه به ازای xi>o, , j طبق گزاره ی فوق یک تابع محدب میباشد.
گزاره 2:
فرض کنید به ترتیب یک کران بالا و پایین باشند و 𝜀 دقت کامپیوتر باشد. کمترین مقدار ممکن به گونهای که فاصله محاسباتی بین تابع تبدیل معکوس و تقریب تکه خطی وجود داشته باشد را به صورت زیر میتوان بدست آورد:
i) If ( j.j) <=0 then αj>= 2√𝜀/ (𝐿𝑛 ( j/j)).
ii) If ( j.j)>0 then αj>=(4 𝐿𝑛( j/j)- √𝐺/(2 𝐿𝑛( j/j). ( j. j). G=16 ( j/j). ( j. j)-2√𝜀 ( j.j) and 𝜀<= (𝐿𝑛 ( j/j)/ 𝐿𝑛 ( j.j)) 2.
پس از یافتن کمترین مقدار ، باید تابع تبدیل معکوس را با تکنیک تقریب تکه خطی تقریب بزنیم. یک تابع مزدوج برای مدلسازی تابع تقریب تکه خطی به صورت زیر میباشد:
تبصره 2:
تابع مزدوج که در آن بردارهای B وB(p+1) حداکثر در یک مولفه به ازای متفاوت هستند، را میتوان ساخت بطوریکه
،
برخی از اصطلاحات مورد نیاز در تبصره 2 به صورت زیر تعریف میشوند:
S+
S-
برای تقریب یک تابع تک متغیره با روش پیشنهادی ویلما، قضیه زیر را بیان میکنیم:
قضیه1: تابع تک متغیره f(x) را در نظر میگیریم به طوریکه a0xam .تقریب تکه خطی تابع f(x) را با نشان میدهیم که a0<a1<…<am،m+1 نقطه شکست میباشد.را
میتوان به صورت زیر در نظر گرفت:
)) =p) p pp p=1 (1)
pk pk p+, k
الگوریتم شاخه و کران:
الگوریتم شاخه و کران مسائل غیرخطی توسط داکین در سال 1965 مطرح گردید. قبل از بیان این الگوریتم فرضیات زیر را در نظر میگیریم:
مسئله برنامهریزی غیرخطی زیر را در نظر بگیرید:
i
i (2)
n m
بطوریکه
i. یک مجموعه محدب فشرده و Y مجموعه اعداد صحیح متناهی میباشد.
ii. توابع محدب و مشتقپذیری از و توابع خطی از میباشد.
iii. برخی از مشخصههای قیدی برنامهریزی غیرخطی صدق میکنند.
الگوریتم با حل آزادسازی مسئله برنامهریزی غیرخطی 2 آغاز میشود. فرضهایi,ii بیان میکند که هر جواب نسبی از مسئله غیرخطی یک جواب مطلق نیز میباشد که این نتیجه با بکارگیری شرایط KKT بطور مستقیم نیز بدست میآید. یک شرط کافی برای فرض iii این است که جواب بهینه هر زیرمسئله شدنی غیرخطی یک نقطه منظم میباشد و این بدین معنی است که بردارهای گرادیان محدودیتهای فعال مستقل خطی میباشد.
انشعاب:
اگر جواب از مسئله یک جواب غیرصحیح شدنی باشد آنگاه روی هر متغیر غیرصحیح انشعاب صورت میگیرد و آنها را مینامیم، که شاخههای دو گره غیرخطی جدید را نشان میدهد. دو کران جدید را به صورت نشان میدهیم. سپس کرانهای مربوطه را برای متغیرهای انشعاب به صورت زیر تصحیح میکنیم: .
شرایط توقف:
شرایط توقف الگوریتم برای روش شاخه و کران مسائل غیرخطی بر اساس بهینه بودن و شدنی بودن مسائل غیرخطی است. فرض میکنیم u یک کران بالا برای مسئله بهینه است. در ابتدا u=∞ را در نظر میگیریم.
· گره شدنی:
اگر هر گره NLP(l,u) شدنی باشد، پس هر مسئله در زیردرختی که در این گره ریشه دارد نیز شدنی است. بنابراین میتوان آن را قطع کرد و یا به عبارت دیگر میتوان گفت که این گره به عمق رسیده است.
· گره شدنی صحیح:
اگر جواب از صحیح باشد آنگاه یک جواب جدید به دست میآوریم اگر آنگاه قرار میدهیم :
و
· کران بالای گرههای مسائل برنامهریزی غیرخطی:
اگر جواب بهینه برابر با باشد (یعنی کران پایین مقدار بهینه)،آنگاه توسط کران بالا محصور میشود اگر ، سپس این گره بهعمق رسیده است زیرا جواب صحیح بهتری پیدا نمیشود.
الگوریتم شاخه و کران مسائل غیرخطی صحیح آمیخته:
قضیه2: جواب مسئله شاخه و کران زیر را در نظر بگیرید:
فرض کنید که f و g دو مسئله محدب، پیوسته و دو بار مشتقپذیر باشند، و X مجموعهای چند وجهی کراندار باشد، آنگاه میتوان نتیجه گرفت که الگوریتم شاخه و کران پس از تعداد متناهی جستجو به یک جواب بهینه
میرسد و متوقف میشود و یا نشان میدهد که مسئله نشدنی است.
الگوریتم 1:
برای قرار دهید U = , و (NLP(-)) را به پشته اضافه کنید. تا زمانیکه انجام بده مسئله را از پشته حذف کنید. مسئله () را حل کنید و جواب را قرار دهید. اگر ( نشدنی بود آنگاه گره را میتوان به دلیل نشدنی بودن قطع کرد. در غیر این صورت اگر آنگاه گره را میتوان قطع کرد زیرا کران بالایی بر آن غالب است. در غیر اینصورت اگر صحیح باشدآنگاه جواب را بروز رسانی کنید در غیر اینصورت روی متغیر شاخه زنی کنید. به الگوریتم 2 مراجعه کنید. انشعاب روی متغیرهای کسری: الگوریتم 2:
|