Сайт о телевидении

Здравствуй, Хабрахабр. В настоящий момент я работаю над учебным пособием по олимпиадному программированию, один из параграфов которого посвящен динамическому программированию. Ниже приведена выдержка из данного параграфа. Пытаясь объяснить данную тему как можно проще, я постарался сложные моменты сопроводить иллюстрациями. Мне интересно ваше мнение о том, насколько понятным получился данный материал. Также буду рад советам, какие еще задачи стоит включить в данный раздел.

Во многих олимпиадных задачах по программированию решение с помощью рекурсии или полного перебора требует выполнения очень большого числа операций. Попытка решить такие задачи, например, полным перебором, приводит к превышению времени выполнения.

Однако среди переборных и некоторых других задач можно выделить класс задач, обладающих одним хорошим свойством: имея решения некоторых подзадач (например, для меньшего числа n ), можно практически без перебора найти решение исходной задачи.

Такие задачи решают методом динамического программирования, а под самим динамическим программированием понимают сведение задачи к подзадачам.

Последовательности

Классической задачей на последовательности является следующая.

Последовательность Фибоначчи F n задается формулами: F 1 = 1, F 2 = 1,
F n = F n - 1 + F n - 2 при n > 1. Необходимо найти F n по номеру n .

Один из способов решения, который может показаться логичным и эффективным, — решение с помощью рекурсии:

Int F(int n) { if (n < 2) return 1; else return F(n - 1) + F(n - 2); }
Используя такую функцию, мы будем решать задачу «с конца» — будем шаг за шагом уменьшать n , пока не дойдем до известных значений.

Но как можно заметить, такая, казалось бы, простая программа уже при n = 40 работает заметно долго. Это связано с тем, что одни и те же промежуточные данные вычисляются по несколько раз — число операций нарастает с той же скоростью, с какой растут числа Фибоначчи — экспоненциально.

Один из выходов из данной ситуации — сохранение уже найденных промежуточных результатов с целью их повторного использования:

Int F(int n) { if (A[n] != -1) return A[n]; if (n < 2) return 1; else { A[n] = F(n - 1) + F(n - 2); return A[n]; } }
Приведенное решение является корректным и эффективным. Но для данной задачи применимо и более простое решение:

F = 1; F = 1; for (i = 2; i < n; i++) F[i] = F + F;
Такое решение можно назвать решением «с начала» — мы первым делом заполняем известные значения, затем находим первое неизвестное значение (F 3), потом следующее и т.д., пока не дойдем до нужного.

Именно такое решение и является классическим для динамического программирования: мы сначала решили все подзадачи (нашли все F i для i < n ), затем, зная решения подзадач, нашли ответ (F n = F n - 1 + F n - 2 , F n - 1 и F n - 2 уже найдены).

Одномерное динамическое программирование

Чтобы лучше понять суть динамического программирования, сначала более формально определим понятия задачи и подзадачи.

Пусть исходная задача заключается в нахождении некоторого числа T при исходных данных n 1 , n 2 , ..., n k . То есть мы можем говорить о функции T (n 1 , n 2 , ..., n k ), значение которой и есть необходимый нам ответ. Тогда подзадачами будем считать задачи
T (i 1 , i 2 , ..., i k ) при i 1 < n 1 , i 2 < n 2 , ..., i k < n k .

Следующая задача одномерного динамического программирования встречается в различных вариациях.

При n < 32 полный перебор потребует нескольких секунд, а при n = 64 полный перебор не осуществим в принципе. Для решения задачи методом динамического программирования сведем исходную задачу к подзадачам.

При n = 1, n = 2 ответ очевиден. Допустим, что мы уже нашли K n - 1 , K n - 2 — число таких последовательностей длины n - 1 и n - 2.

Посмотрим, какой может быть последовательность длины n . Если последний ее символ равен 0, то первые n - 1 — любая правильная последовательность длины
n - 1 (не важно, заканчивается она нулем или единицей — следом идет 0). Таких последовательностей всего K n - 1 . Если последний символ равен 1, то предпоследний символ обязательно должен быть равен 0 (иначе будет две единицы подряд), а первые
n - 2 символа — любая правильная последовательность длины n - 2, число таких последовательностей равно K n - 2 .

Таким образом, K 1 = 2, K 2 = 3, K n = K n - 1 + K n - 2 при n > 2. То есть данная задача фактически сводится к нахождению чисел Фибоначчи.

Двумерное динамическое программирование

Классической задачей двумерного динамического программирования является задача о маршрутах на прямоугольном поле.
В разных формулировках необходимо посчитать число маршрутов или найти маршрут, который является лучшим в некотором смысле.

Приведем пару формулировок таких задач:

Задача 2. n *m клеток. Можно совершать шаги длиной в одну клетку вправо или вниз. Посчитать, сколькими способами можно попасть из левой верхней клетки в правую нижнюю.

Задача 3. Дано прямоугольное поле размером n *m клеток. Можно совершать шаги длиной в одну клетку вправо, вниз или по диагонали вправо-вниз. В каждой клетке записано некоторое натуральное число. Необходимо попасть из верхней левой клетки в правую нижнюю. Вес маршрута вычисляется как сумма чисел со всех посещенных клеток. Необходимо найти маршрут с минимальным весом.

Для всех таких задач характерным является то, что каждый отдельный маршрут не может пройти два или более раз по одной и той же клетке.

Рассмотрим более подробно задачу 2. В некоторую клетку с координатами (i ,j ) можно прийти только сверху или слева, то есть из клеток с координатами (i - 1, j ) и (i , j - 1):

Таким образом, для клетки (i , j ) число маршрутов A[i][j] будет равно
A[j] + A[i], то есть задача сводится к двум подзадачам. В данной реализации используется два параметра — i и j — поэтому применительно к данной задаче мы говорим о двумерном динамическом программировании.

Теперь мы можем пройти последовательно по строкам (или по столбцам) массива A, находя число маршрутов для текущей клетки по приведенной выше формуле. Предварительно в A необходимо поместить число 1.

В задаче 3 в клетку с координатами (i , j ) мы можем попасть из клеток с координатами
(i - 1, j), (i , j - 1) и (i - 1, j - 1). Допустим, что для каждой из этих трех клеток мы уже нашли маршрут минимального веса, а сами веса поместили в W[j], W[i],
W. Чтобы найти минимальный вес для (i , j ), необходимо выбрать минимальный из весов W[j], W[i], W и прибавить к нему число, записанное в текущей клетке:

W[i][j] = min(W[j], W[i], W) + A[i][j];

Данная задача осложнена тем, что необходимо найти не только минимальный вес, но и сам маршрут. Поэтому в другой массив мы дополнительно для каждой клетки будем записывать, с какой стороны в нее надо попасть.

На следующем рисунке приведен пример исходных данных и одного из шагов алгоритма.

В каждую из уже пройденных клеток ведет ровно одна стрелка. Эта стрелка показывает, с какой стороны необходимо прийти в эту клетку, чтобы получить минимальный вес, записанный в клетке.

После прохождения всего массива необходимо будет проследить сам маршрут из последней клетки, следуя по стрелкам в обратную сторону.

Задачи на подпоследовательности

Рассмотрим задачу о возрастающей подпоследовательности.

Задача 4. Дана последовательность целых чисел. Необходимо найти ее самую длинную строго возрастающую подпоследовательность.

Начнем решать задачу с начала — будем искать ответ, начиная с первых членов данной последовательности. Для каждого номера i будем искать наибольшую возрастающую подпоследовательность, оканчивающуюся элементом в позиции i . Пусть исходная последовательность хранится в массиве A. В массиве L будем записывать длины максимальных подпоследовательностей, оканчивающихся текущим элементом. Пусть мы нашли все L[i] для 1 <= i <= k - 1. Теперь можно найти L[k] следующим образом. Просматриваем все элементы A[i] для 1 <= i < k - 1. Если
A[i] < A[k], то k -ый элемент может стать продолжением подпоследовательности, окончившейся элементом A[i]. Длина полученной подпоследовательности будет на 1 больше L[i]. Чтобы найти L[k], необходимо перебрать все i от 1 до k - 1:
L[k] = max(L[i]) + 1, где максимум берется по всем i таким, что A[i] < A[k] и
1 <= i < k .

Здесь максимум из пустого множества будем считать равным 0. В этом случае текущий элемент станет единственным в выбранной последовательности, а не будет продолжением одной из предыдущих. После заполнения массива L длина наибольшей возрастающей подпоследовательности будет равна максимальному элементу L.

Чтобы восстановить саму подпоследовательность, можно для каждого элемента также сохранять номер предыдущего выбранного элемента, например, в массив N.

Рассмотрим решение этой задачи на примере последовательности 2, 8, 5, 9, 12, 6. Поскольку до 2 нет ни одного элемента, то максимальная подпоследовательность содержит только один элемент — L = 1, а перед ним нет ни одного — N = 0. Далее,
2 < 8, поэтому 8 может стать продолжением последовательности с предыдущим элементом. Тогда L = 2, N = 1.

Меньше A = 5 только элемент A = 2, поэтому 5 может стать продолжением только одной подпоследовательности — той, которая содержит 2. Тогда
L = L + 1 = 2, N = 1, так как 2 стоит в позиции с номером 1. Аналогично выполняем еще три шага алгоритма и получаем окончательный результат.

Теперь выбираем максимальный элемент в массиве L и по массиву N восстанавливаем саму подпоследовательность 2, 5, 9, 12.

Еще одной классической задачей динамического программирования является задача о палиндромах.

Задача 5. Дана строка из заглавных букв латинского алфавита. Необходимо найти длину наибольшего палиндрома, который можно получить вычеркиванием некоторых букв из данной строки.

Обозначим данную строку через S, а ее символы — через S[i], 1 <= i <= n . Будем рассматривать возможные подстроки данной строки с i -го по j -ый символ, обозначим их через S (i , j ). Длины максимальных палиндромов для подстрок будем записывать в квадратный массив L: L[i][j] — длина максимального палиндрома, который можно получить из подстроки S (i , j ).

Начнем решать задачу с самых простых подстрок. Для строки из одного символа (то есть подстроки вида S (i , i )) ответ очевиден — ничего вычеркивать не надо, такая строка будет палиндромом. Для строки из двух символов S (i , i + 1) возможны два варианта: если символы равны, то мы имеем палиндром, ничего вычеркивать не надо. Если же символы не равны, то вычеркиваем любой.

Пусть теперь нам дана подстрока S (i , j ). Если первый (S[i]) и последний (S[j]) символы подстроки не совпадают, то один из них точно нужно вычеркнуть. Тогда у нас останется подстрока S (i , j - 1) или S (i + 1, j ) — то есть мы сведем задачу к подзадаче: L[i][j] = max(L[i], L[j]). Если же первый и последний символы равны, то мы можем оставить оба, но необходимо знать решение задачи S (i + 1, j - 1):
L[i][j] = L + 2.

Рассмотрим решение на примере строки ABACCBA. Первым делом заполняем диагональ массива единицами, они будут соответствовать подстрокам S (i , i ) из одного символа. Затем начинаем рассматривать подстроки длины два. Во всех подстроках, кроме S (4, 5), символы различны, поэтому в соответствующие ячейки запишем 1, а в L — 2.

Получается, что мы будем заполнять массив по диагоналям, начиная с главной диагонали, ведущей из левого верхнего угла в правый нижний. Для подстрок длины 3 получаются следующие значения: в подстроке ABA первая и последняя буквы равны, поэтому
L = L + 2. В остальных подстроках первая и последняя буквы различны.

BAC: L = max(L, L) = 1.
ACC: L = max(L, L) = 2.
CCB: L = max(L, L) = 2.
CBA: L = max(L, L) = 1.

Если же в задаче необходимо вывести не длину, а сам палиндром, то дополнительно к массиву длин мы должны построить массив переходов — для каждой ячейки запомнить, какой из случаев был реализован (на рисунке для наглядности вместо числовых значений, кодирующих переходы, нарисованы соответствующие стрелки).

Динамического программирования

1. Динамическое программирование. Основные понятия…………………2

2. Суть метода динамического программирования………………………..4

3. Пример решения задачи методом динамического программирования………………………………………………………...7

Список используемых источников……………………………………...11

1. Динамическое программирование. Основные понятия.

Динамическое программирование (ДП) в теории вычислительных систем - способ решения сложных задач путём разбиения их на более простые подзадачи. Он применим к задачам с оптимальной подструктурой, выглядящим как набор перекрывающихся подзадач, сложность которых чуть меньше исходной. В этом случае время вычислений, по сравнению с «наивными» методами, можно значительно сократить.

Ключевая идея в динамическом программировании достаточно проста. Как правило, чтобы решить поставленную задачу, требуется решить отдельные части задачи (подзадачи), после чего объединить решения подзадач в одно общее решение. Часто многие из этих подзадач одинаковы. Подход динамического программирования состоит в том, чтобы решить каждую подзадачу только один раз, сократив тем самым количество вычислений. Это особенно полезно в случаях, когда число повторяющихся подзадач экспоненциально велико.

Динамическое программирование представляет собой математический аппарат, который подходит к решению некоторого класса задач путем их разложения на части, небольшие и менее сложные задачи. При этом отличительной особенностью является решение задач по этапам, через фиксированные интервалы, промежутки времени, что и определило появление термина динамическое программирование. Следует заметить, что методы динамического программирования успешно применяются и при решении задач, в которых фактор времени не учитывается. В целом математический аппарат можно представить как пошаговое или поэтапное программирование. Решение задач методами динамического программирования проводится на основе сформулированного Р. Э. Беллманом принципа оптимальности: оптимальное поведение обладает тем свойством, что каким бы ни было первоначальное состояние системы и первоначальное решение, последующее решение должно определять оптимальное поведение относительно состояния, полученного в результате первоначального решения.
Из этого следует, что планирование каждого шага должно проводиться с учетом общей выгоды, получаемой по завершении всего процесса, что и позволяет оптимизировать конечный результат по выбранному критерию.

Таким образом, динамическое программирование в широком смысле представляет собой оптимальное управление процессом, посредством изменения управляемых параметров на каждом шаге, и, следовательно, воздействуя на ход процесса, изменяя на каждом шаге состояние системы.

В целом динамическое программирование представляет собой стройную теорию для восприятия и достаточно простую для применения в коммерческой деятельности при решении как линейных, так и нелинейных задач.

Динамическое программирование является одним из разделов оптимального программирования. Для него характерны специфические методы и приемы, применительные к операциям, в которых процесс принятия решения разбит на этапы (шаги). Методами динамического программирования решаются вариантные оптимизационные задачи с заданными критериями оптимальности, с определенными связями между переменными и целевой функцией, выраженными системой уравнений или неравенств. При этом, как и в задачах, решаемых методами линейного программирования, ограничения могут быть даны в виде равенств или неравенств. Однако если в задачах линейного программирования зависимости между критериальной функцией и переменными обязательно линейны, то в задачах динамического программирования эти зависимости могут иметь еще и нелинейный характер. Динамическое программирование можно использовать как для решения задач, связанных с динамикой процесса или системы, так и для статических задач, связанных, например, с распределением ресурсов. Это значительно расширяет область применения динамического программирования для решения задач управления. А возможность упрощения процесса решения, которая достигается за счет ограничения области и количества, исследуемых при переходе к очередному этапу вариантов, увеличивает достоинства этого комплекса методов.

Вместе с тем динамическому программированию свойственны и недостатки. Прежде всего, в нем нет единого универсального метода решения. Практически каждая задача, решаемая этим методом, характеризуется своими особенностями и требует проведения поиска наиболее приемлемой совокупности методов для ее решения. Кроме того, большие объемы и трудоемкость решения многошаговых задач, имеющих множество состояний, приводят к необходимости отбора задач малой размерности либо использования сжатой информации. Последнее достигается с помощью методов анализа вариантов и переработки списка состояний.

Для процессов с непрерывным временем динамическое программирование рассматривается как предельный вариант дискретной схемы решения. Получаемые при этом результаты практически совпадают с теми, которые получаются методами максимума Л. С. Понтрягина или Гамильтона-Якоби-Беллмана.

Динамическое программирование применяется для решения задач, в которых поиск оптимума возможен при поэтапном подходе, например, распределение дефицитных капитальных вложений между новыми направлениями их использования; разработка правил управления спросом или запасами, устанавливающими момент пополнения запаса и размер пополняющего заказа; разработка принципов календарного планирования производства и выравнивания занятости в условиях колеблющегося спроса на продукцию; составление календарных планов текущего и капитального ремонтов оборудования и его замены; поиск кратчайших расстояний на транспортной сети; формирование последовательности развития коммерческой операции и т. д.

Суть метода динамического программирования.

В основу метода динамического программирования положен принцип оптимальности , сформулированный в 1957 г. американским математиком Ричардом Беллманом: «Оптимальное поведение обладает тем свойством, что каковы бы ни были первоначальные состояние и решение в начальный момент времени, последующие решения должны составлять оптимальное поведение относительно состояния, получающегося в результате первого решения».

Физическая сущность принципа оптимальности заключается в том, что ошибка выбора решения в данный момент не может быть исправлена в будущем.

Рассматривается следующая общая задача. Имеется некоторая физическая система, в которой происходит какой-то процесс, состоящий из n шагов. Эффективность процесса характеризуется некоторым показателем W , который называют выигрышем . Пусть общий выигрыш W за все n шагов процесса складывается из выигрышей на отдельных шагах

где w i - выигрыш на i -м шаге. Если W обладает таким свойством, то его называют аддитивным критерием .

Процесс, о котором идет речь, представляет собой управляемый процесс, т.е. имеется возможность выбирать какие-то параметры, влияющие на его ход и исход, причем на каждом шаге выбирается какое-то решение, от которого зависит выигрыш на данном шаге. Это решение называется шаговым управлением . Совокупность всех шаговых управлений представляет собой управление процессом в целом. Обозначим его буквой U , а шаговые управления - буквами . Тогда

Шаговые управления в общем случае не числа, а, как правило, векторы, функции и т.п.

В модели динамического программирования процесс на каждом шаге находится в одном из состояний s множества состояний S . Считается, что всякому состоянию сопоставлены некоторые шаговые управления. Эти управления таковы, что управление, выбранное в данном состоянии при любой предыстории процесса, определяет полностью следующее состояние процесса. Обычно выделены два особых состояния: s 0 - начальное и s w - конечное.

Итак, пусть каждому состоянию поставлено множество допустимых шаговых управлений , и каждому шаговому управлению , соответствует - состояние, в которое процесс попадает из s i в результате использования шагового управления u . Пусть процесс находится в начальном состоянии s 0 . Выбор переводит процесс в состояние s 1 = σ(s 0 ,u 1), выбор - в состояние s 2 = σ(s 1 ,u 2) и т.д. В результате получается траектория процесса, которая состоит из последовательности пар

и заканчивается конечным состоянием. Для единообразия можно считать, что включает только одно состояние , оставляющее процесс в том же конечном состоянии. Следует отметить, что множества допустимых состояний и управлений

конечны и U s для различных s не пересекаются.

В общем виде задача динамического программирования формулируется следующим образом: найти такую траекторию процесса, при которой выигрыш (2.1)будет максимальным.

То управление, при котором достигается максимальный выигрыш, называется оптимальным управлением . Оно состоит из совокупности шаговых управлений

Тот максимальный выигрыш, который достигается при этом управлении обозначим W max :

W max = max U {W (u )}. (2.5)

Рассмотрим на примере задачи о рюкзаке, что понимается под шагом, состоянием, управлением и выигрышем.

Загрузку рюкзака можно представить себе как процесс, состоящий из n шагов. На каждом шаге требуется ответить на вопрос: взять данный предмет в рюкзак, или нет? Таким образом, шаг процесса - присваивание переменной x i значения 1 или 0.

Теперь определим состояния. Очевидно, что текущее состояние процесса характеризует остаточная грузоподъёмность рюкзака - вес, который остался в нашем распоряжении до конца (до полной укладки рюкзака). Следовательно, под состоянием перед i -м шагом понимается величина

(2.6)

при этом s 0 является начальным состоянием, которому соответствует величина b - исходная грузоподъемность рюкзака.

Управление на i -м шаге означает присваивание двоичной переменной x i значения 0 или 1. Значит, на каждом шаге имеем всего два управления. Причем допустимость управления u i , устанавливающего x i = 1, определяется условием

(2.8)

Шаговый выигрыш можно определить как . Поэтому

(2.10)

Требуется найти оптимальное управление , при котором величина выигрыша (2.10) обращается в максимум.

3. Пример решения задачи методом динамического программирования.

Задание . Инвестор выделяет средства в размере 5 тыс. ден. ед., которые должны быть распределены между тремя предприятиями.

Требуется, используя принцип оптимальности Беллмана, построить план распределения инвестиций между предприятиями, обеспечивающий наибольшую общую прибыль, если каждое предприятие при инвестировании в него средств x тыс. ден. ед. приносит прибыль p;(x) тыс. ден. ед. (i=1, 2 и 3) по следующим данным:

Решение . Составим математическую модель задачи.

1.Число шагов равно 3.

2.Пусть s - количество средств, имеющихся в наличии перед данным шагом, и характеризующих состояние системы на каждом шаге.

3. Управление на i-ом шаге (i=1,2,3) выберем x i - количество средств, инвестируемых в i- ое предприятие.

4. Выигрыш p i (x i) на i-ом шаге - это прибыль, которую приносит i-ое предприятие при инвестировании в него средств xi. Если через выигрыш в целом обозначить общую прибыль W, то W=p 1 (x 1)+ p 2 (x 2)+ p 3 (x 3).

5. Если в наличии имеются средства в количестве s тыс. ден. ед. и в i-ое предприятие инвестируется x тыс. ден. ед, то для дальнейшего инвестирования остается (s-x) тыс. ден. ед. Таким образом, если на i-ом шаге система находилась в состоянии s и выбрано управление x, то на (i+1)-ом шаге система будет находится в состоянии (s-x), и, следовательно, функция перехода в новое состояние имеет вид: f i (s, x) = s-x.

6.На последнем (i=3) шаге оптимальное управление соответствует количеству средств, имеющихся в наличии, а выигрыш равен доходу, приносимым последним предприятием: x 3 (s)=s, W 3 (s)=p 3 (s).

7.Согласно принципу оптимальности Беллмана, управление на каждом шаге нужно выбирать так, чтобы оптимальной была сумма выигрышей на всех оставшихся до конца процесса шагах, включая выигрыш на данном шаге. Основное функциональное уравнение примет вид

W 2 (s) = max{p 2 (x) + W 3 (s - x)}

Проведем пошаговую оптимизацию, по результатам которой заполним таблицу.

s	i=3	i=2	i=1
	x 3 (s)	W 3 (s)	x 2 (s)	W 2 (s)	x i (s)	W i (s)
		4,27		4,27
		7,64		7,64
		10,25		10,97
		15,93		15,93
		16,12		19,26		19,26

В первой колонке таблицы записываются возможные состояния системы, в верхней строке - номера шагов с оптимальным управлением и выигрышем на каждом шаге, начиная с последнего. Так как для последнего шага i=3 функциональное уравнение имеет вид x 3 (s)=s, W3(s)=p3(s), то две колонки таблицы, соответствующие i=3, заполняются автоматически по таблице исходных данных.

На шаге i=2 основное функциональное уравнение имеет вид

W 2 (s) = max{p 2 (x) + W 3 (s - x)}

Поэтому для проведения оптимизации на этом шаге заполним таблицу для различных состояний s при шаге i=3.

s	x	s-x	p 2 (x)	W 3 (s-x)	p 2 (x)+W 3 (s-x)	W 2 (s)
				4,27	4,27	4,27
		3,33		3,33
				7,64	7,64	7,64
		3,33	4,27	7,6
		4,87		4,87
				10,25	10,25	10,97
		3,33	7,64	10,97
		4,87	4,27	9,14
		5,26		5,26
				15,93	15,93	15,93
		3,33	10,25	13,58
		4,87	7,64	12,51
		5,26	4,27	9,53
		7,34		7,34
				16,12	16,12	19,26
		3,33	15,93	19,26
		4,87	10,25	15,12
		5,26	7,64	12,9
		7,34	4,27	11,61
		9,49		9,49

На шаге i=1 основное функциональное уравнение имеет вид

W x (s) = max{ p x (x) + W 2 (s - x)}

а состояние системы перед первым шагом s=5, поэтому для проведения оптимизации на этом шаге заполним таблицу.

s	x	s-x	p i (x)	W 2 (s-x)	p i (x)+W 2 (s-x)	Wi(s)
				19,26	19,26	19,26
		3,22	15,93	19,15
		3,57	10,97	14,54
		4,12	7,64	11,76
			4,27	8,27
		4,85		4,85

Видно, что наибольшее значение выигрыша составляет 19,26. При этом оптимальное управление на первом шаге составляет x 1 (s 1)=0 (s 1 =5), на втором шаге x 2 (s 2) =1 (s 2 =s 1 -x 1 =5) и на третьем шаге x 3 (s 3) =4 (s 3 =s 2 -x 2 =4).

Это означает, что (0, 1, 4) - оптимальный план распределения инвестиций между предприятиями.

Таким образом, для получения наибольшей общей прибыли в размере 19,26 тыс. ден. ед., необходимо вложить 1 тыс. ден. ед. во второе предприятие и 4 тыс. ден. ед. в третье предприятие.

Список используемых источников

1. Беллман Р., Динамическое программирование, пер. с англ., М., 1960

2. Болтянский В. Г.,Математические методы оптимального управления, М., 1966

Большинство методов исследования операций связано в первую очередь с задачами вполне определенного содержания. Классический аппарат математики оказался малопригодным для решения многих задач оптимизации, включающих большое число переменных и/или ограничений в виде неравенств. Несомненна привлекательность идеи разбиения задачи большой размерности на подзадачи меньшей размерности, включающие всего по несколько переменных, и последующего решения общей задачи по частям. Именно на этой идее основан метод динамического программирования.

Динамическое программирование (ДП) представляет собой математический метод, заслуга создания и развития которого принадлежит, прежде всего Беллману. Метод можно использовать для решения весьма широкого круга задач, включая задачи распределения ресурсов, замены и управления запасами, задачи о загрузке. Характерным для динамического программирования является подход к решению задачи по этапам, с каждым из которых ассоциирована одна управляемая переменная. Набор рекуррентных(возвратных, периодических) вычислительных процедур, связывающих различные этапы, обеспечивает получение допустимого оптимального решения задачи в целом при достижении последнего этапа.

Происхождение названия динамическое программирование, вероятно, связано с использованием методов ДП в задачах принятия решений через фиксированные промежутки времени (например, в задачах управления запасами). Однако методы ДП успешно применяются также для решения задач, в которых фактор времени не учитывается. По этой причине более удачным представляется термин многоэтапное программирование, отражающий пошаговый характер процесса решения задачи.

Фундаментальным принципом, положенным в основу теории ДП, является принцип оптимальности. По существу, он определяет порядок поэтапного решения допускающей декомпозицию задачи (это более приемлемый путь, чем непосредственное решение задачи в исходной постановке) с помощью рекуррентных вычислительных процедур.

Динамическое программирование позволяет осуществлять оптимальное планирование управляемых процессов. Под «управляемыми» понимаются процессы, на ход которых мы можем в той или другой степени влиять.

Предпосылки динамического программирования:

• · Характеристика системы зависит только от данного состояния системы, а не от того каким путем система пришла в это состояние.
• · Переход системы из одного состояния в другое длится определенное конечное число шагов.
• · Каждый шаг (Выбор определенного решения) связан с определенным эффектом (под экономическим эффектом понимается значение целевой функции задачи). Эффект от принятого решения зависит от текущего состояния, в котором находится объект управления и принятого управленческого решения(воздействия).
• · Общий эффект за несколько шагов складывается из эффектов на каждом шаге.

Оптимальная подструктура в динамическом программировании означает, что оптимальное решение подзадач меньшего размера может быть использовано для решения исходной задачи. К примеру, кратчайший путь в графе из одной вершины (обозначим s) в другую (обозначим t) может быть найден так: сначала считаем кратчайший путь из всех вершин, смежных с s, до t, а затем, учитывая веса ребер, которыми s соединена со смежными вершинами, выбираем лучший путь до t (через какую вершину лучше всего пойти). В общем случае мы можем решить задачу, в которой присутствует оптимальная подструктура, проделывая следующие три шага.

Разбиение задачи на подзадачи меньшего размера.

Нахождение оптимального решения подзадач рекурсивно, проделывая такой же трехшаговый алгоритм.

Использование полученного решения подзадач для конструирования решения исходной задачи.

Подзадачи решаются делением их на подзадачи ещё меньшего размера и т. д., пока не приходят к тривиальному случаю задачи, решаемой за константное время (ответ можно сказать сразу). К примеру, если нам нужно найти n!, то тривиальной задачей будет 1! = 1 (или 0! = 1).

Перекрывающиеся подзадачи в динамическом программировании означают подзадачи, которые используются для решения некоторого количества задач (не одной) большего размера (то есть мы несколько раз проделываем одно и то же). Ярким примером является вычисление последовательности Фибоначчи, $F\_3\; =\; F\_2\; +\; F\_1$ и $F\_4\; =\; F\_3\; +\; F\_2$ -- даже в таком тривиальном случае вычисления всего двух чисел Фибоначчи мы уже посчитали $F\_2$ дважды. Если продолжать дальше и посчитать $F\_5$, то $F\_2$ посчитается ещё два раза, так как для вычисления $F\_5$ будут нужны опять $F\_3$ и $F\_4$. Получается следующее: простой рекурсивный подход будет расходовать время на вычисление решения для задач, которые он уже решал.

Чтобы избежать такого хода событий мы будем сохранять решения подзадач, которые мы уже решали, и когда нам снова потребуется решение подзадачи, мы вместо того, чтобы вычислять его заново, просто достанем его из памяти. Этот подход называется кэширование. Можно проделывать и дальнейшие оптимизации -- например, если мы точно уверены, что решение подзадачи нам больше не потребуется, можно выкинуть его из памяти, освободив её для других нужд, или если процессор простаивает и мы знаем, что решение некоторых, ещё не посчитанных подзадач, нам понадобится в дальнейшем, мы можем решить их заранее.

Подводя итоги вышесказанного можно сказать, что динамическое программирование пользуется следующими свойствами задачи:

• · перекрывающиеся подзадачи;
• · оптимальная подструктура;
• · возможность запоминания решения часто встречающихся подзадач.

Динамическое программирование обычно придерживается двух подходов к решению задач:

• · Нисходящее динамическое программирование: задача разбивается на подзадачи меньшего размера, они решаются и затем комбинируются для решения исходной задачи. Используется запоминание для решений часто встречающихся подзадач.
• · Восходящее динамическое программирование: все подзадачи, которые впоследствии понадобятся для решения исходной задачи просчитываются заранее и затем используются для построения решения исходной задачи. Этот способ лучше нисходящего программирования в смысле размера необходимого стека и количества вызова функций, но иногда бывает нелегко заранее выяснить, решение каких подзадач нам потребуется в дальнейшем.

Языки программирования могут запоминать результат вызова функции с определенным набором аргументов (мемоизация), чтобы ускорить «вычисление по имени». В некоторых языках такая возможность встроена (например, Scheme, Common Lisp, Perl), а в некоторых требует дополнительных расширений (C++).

Известны сериальное динамическое программирование, включённое во все учебники по исследованию операций, и несериальное динамическое программирование (НСДП), которое в настоящее время слабо известно, хотя было открыто в 1960-х годах.

Обычное динамическое программирование является частным случаем несериального динамического программирования, когда граф взаимосвязей переменных -- просто путь. НСДП, являясь естественным и общим методом для учета структуры задачи оптимизации, рассматривает множество ограничений и/или целевую функцию как рекурсивно вычислимую функцию. Это позволяет находить решение поэтапно, на каждом из этапов используя информацию, полученную на предыдущих этапах, причём эффективность этого алгоритма прямо зависит от структуры графа взаимосвязей переменных. Если этот граф достаточно разрежен, то объём вычислений на каждом этапе может сохраняться в разумных пределах.

Одним из основных свойств задач, решаемых с помощью динамического программирования, является аддитивность. Неаддитивные задачи решаются другими методами. Например, многие задачи по оптимизации инвестиций компании являются неаддитивными и решаются с помощью сравнения стоимости компании при проведении инвестиций и без них.

4.1. Принцип оптимальности

Рассмотрим систему

и функционал

(4.2)

который требуется минимизировать. Правый конец фазовых координат является свободным.

Наряду с этой вариационной задачей рассмотрим вспомогательную, когда процесс рассматривается в интервале
и минимизируется функционал

. (4.3)

Пусть сначала найден минимум (4.2) и соответствующее ему оптимальное управление (рис. 14а):

а потом – минимум (4.3) и оптимальное управление (рис. 14б):

В последнем случае предполагается, что в момент процесс начинается с состояния
, достигнутого к моменту временипри оптимизации процесса в интервале
.

Вообще говоря, управления
и
отличаются интервалом и значениями. Принцип оптимальности утверждает, что оптимальные управления
и
в общей части интервала
совпадают, не зависимо от предыстории процесса и вполне определяются состоянием
в момент
.

В случае со свободным правым концом принцип оптимальности доказывается. В самом деле, допустим, что на участке
управления
и
не совпадают и

(4.6)

Рис. 14а Рис.14б

Тогда для первой задачи введем управление

(4.7)

и вычислим функционал

При управлении (4.7) функционал (4.2) принимает меньшее значение, чем при (4.4). Но управлениеявляется оптимальным. Поэтому допущение (4.6) неверно.

A предположение

противоречит тому, что
- управление, минимизирующее
(4.3).

Таким образом, остается, что

,

и если оптимальное управление единственное, то

Кратко принцип оптимальности можно сформулировать так: последний участок оптимальной траектории является оптимальным независимо от предыстории процесса.

4.2. Основное уравнение метода динамического программирования

Применим принцип оптимальности к решению вариационной задачи (4.1), (4.2). Для этого сначала рассмотрим функционал (4.3). Наименьшее значение его при связях (4.1) обозначим:

. (4.8)

Если
- оптимальное управление, то

.

Оптимальное управление
зависит от начального состояния
в момент
. Следовательно,является функцией оти:
, а от управленияи его вариаций функция
не зависит. Она вполне определяется значениями
.

Интервал
разделим на два интервала
и
и выражение (4.8) запишем в виде:

.

Согласно принципу оптимальности последний участок также является оптимальным:

(4.9)

Обозначим:

, (4.10)

где
- приращение вектора фазовых координат за время
. Оно определяется согласно уравнениям движения (4.1). Подставляя
из (4.10) в равенство (4.9), получим:

.

Хотя функция
зависит только от фазовых координат и времени, ее нельзя выносить за знак
. Значение приращения
за время
зависит от управления в интервале
. Но
не зависит от управления в интервале
и ее можно внести под знак
. Введем
под знак минимума и разделим на
:

.

Учитывая, что

;

,

получим основное уравнение метода динамического программирования:

(4.11)

Это соотношение состоит из двух утверждений:

Если
- управление, минимизирующее выражение
, то основное уравнение метода динамического программирования

(4.12)

Здесь
зависит от управления по определению, функция же
не зависит от него. Тем не менее, производнаяот управления зависит. В этом можно убедиться, если ее представить в виде

изаменить согласно системе (4.1):

.(4.13)

Подставляя (4.13) в (4.12) получим уравнение Р.Беллмана:

. (4.14)

Это уравнение в частных производных относительно
, которое после подстановки
становится нелинейным. Согласно определению(4.8) при
должно выполняться конечное условие

.

В случае бесконечного интервала при
процесс должен быть асимптотически устойчивым, т.е.
.

В том случае, когда рассматривается функционал Больца

(4.15)

Уравнение (4.12) сохраняет силу, функция v в момент
должна удовлетворять условию

. (4.16)

4.3. Две задачи оптимального управления

В теории оптимального управления различают задачи двух типов: программного управления и синтеза. В первой задаче оптимальное управление строится в виде функции временидля конкретных начальных и конечных условий, если они заданы. Зависимость
рассматривается как программа.

Во второй задаче оптимальное управление строится для каждого момента временикак функция вектора фазовых координатт.е. в виде

. (4.17)

Построение такой зависимости является целью задачи синтеза. Значение второй задачи в том, что зависимость
дает уравнение обратной связи или оптимального регулятора, замыкающего систему. Она применяется при оптимальном управлении переходным процессом.

Программное управление и управление по обратной связи осуществляются технически по-разному. Первое может осуществляться программным часовым механизмом, по жесткому закону, как функция времени . Это управление никак не реагирует на возможные отклонения состояний объекта от идеального, желательного. Управление по обратной связи осуществляется при помощи регулятора, который по результатам измерения реального состояния фазовых координат вырабатывает сигнал, согласно которому отклоняется управляющий орган.

Обе задачи взаимосвязаны. Решение одной можно выразить через другое. Однако отметим, что принцип максимума обычно приводит к представлению управления в виде программы, а метод динамического программирования – в виде синтеза.

Значительное развитие получила задача синтеза оптимального управления процессами, описываемыми линейной системой дифференциальных уравнений, при минимизации интегральных квадратичных функционалов. Она называется задачей аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР), или задачей А.М.Летова.

4.4. Задача аналитического конструирования оптимальных регуляторов

Предположим уравнения возмущенного движения системы имеют вид

(4.18)

Матрицы
, размерности
и
, соответственно, имеют в качестве своих элементов известные функции
.

Предполагается также, что состояние системы (4.18) в каждый момент времени известно.

В качестве критерия оптимальности рассматривается квадратичный функционал Больца

где
- симметричные неотрицательно определенные матрицы,
- положительно определенная матрица; *) - индекс транспонирования.

Требуется найти оптимальное (минимизирующее функционал 4.19) управление, являющееся функцией текущего состояния
.

Для решения этой задачи можно воспользоваться принципом максимума, но наиболее короткий путь – метод динамического программирования.

В соответствии с этим методом нужно найти функцию
, удовлетворяющего уравнению

. (4.20)

В общем случае – это сложная задача, однако для линейных систем с квадратичным критерием оптимальности функцию
можно искать в виде некоторой квадратичной формы.

(4.21)

где
- есть некоторая, пока неизвестная, квадратичная форма, удовлетворяющая в силу (4.16) конечному условию

. (4.22)

Таким образом, для линейных систем задача сводится к отысканию функции
. Дифференцируя (4.21) с учетом (4.18) получим

Минимизируя (4.23) по
, получим

(4.24)

Так как
, то управление (4.24) действительно доставляет минимум выражению
.

Подставляя (4.24) в (4.23), получим

Квадратичная форма (4.25) равна нулю при любых
только в том случае, когда равна нулю матрица, ее образующая. Таким образом, получаем уравнение для определения матрицы

(2.26)

с граничным условием (4.22).

Интегрируя уравнение (4.26) в обратном направлении, получим
, а значит и параметры оптимального управления (4.24). Нетрудно показать, что матрица
- симметричная матрица. Для этого достаточно транспонировать уравнение (4.26). Тогда

откуда с учетом симметричности матриц следует, что
.

Замечание 1 . В том случае, когда система (4.18) стационарна (матрицы A и B – числовые матрицы), матрицы - числовые матрицы,
(рассматривается установившийся режим). Матрицатоже числовая и удовлетворяет алгебраическому уравнению

Замечание 2. Из выражения (4.24) следует, что для реализации оптимального управления необходима полная и точная информация о состоянии управляемого процесса
. В том случае, когда эту информацию получить невозможно, для реализации оптимального управления используются оценки состояния, получаемые на основе имеющейся неполной информации.

4.5. Синтез локально-оптимального управления

При проектировании систем управления часто бывает необходимо, чтобы поведение системы было оптимальным в некотором смысле в любой текущий момент времени.

Рассмотрим непрерывный управляемый процесс, описываемый системой дифференциальных уравнений (4.18).

Пусть задан функционал (функция)
параметрически зависящий от времении определенный на множестве функций
и
.

Требуется найти уравнение
, минимизирующее
, где- текущий момент времени. Такое управление называется локально-оптимальным.

В качестве критерия оптимальности рассмотрим функционал

матрица удовлетворяют тем же требованиям, что и в параграфе 4.4.

Нетрудно показать , что локально-оптимальное уравнение
с необходимостью удовлетворяет условию

. (4.28)

Воспользуемся этим условием.

Тогда, дифференцируя (4.27) в силу (4.18), найдем выражение для определения производной

из условия
найдем локально-оптимальное управление

Найденное управление действительно доставляет производной
, так как

.

Из выражения (4.30) следует, что локально-оптимальное управление полностью определяется матрицами
, а для реализации его необходима полная информация о состоянии процесса
. Задаваясь различными матрицами весовых функций
, можно обеспечить те или иные свойства управляемого процесса, в частности свойства устойчивости или асимптотической устойчивости.

Потребуем, например, чтобы на локально-оптимальном управлении выполнялось условие

. (4.31)

Тогда, подставляя (4.30) в (4.29), из (4.31) найдем

(4.32)

Из условия (4.32) следует, что оно будет выполнено, если матрица
будет определена из условия

Пусть теперь рассматривается управляемое движение на отрезке
, где- некоторый фиксированный момент времени. Потребуем также, чтобы в момент времениматричная функция
удовлетворяла конечному условию

(4.34)

Тогда из сравнения формул (4.24), (4.26), (4.22) и (4.30), (4.33), (4.34) следует, что локально-оптимальное управление(4.30) по критерию (4.27) с матрицей
, определяемой из уравнения (4.33) с условием (4.34) совпадает с управлением (4.24), оптимальным по квадратичному критерию (4.19) на интервале
.

5. Оптимальное управление стохастическими системами в условиях неопределенности.

5.1. Характеристики случайных сигналов

В пособие в качестве математических моделей возмущающих воздействий и погрешностей измерений используются стохастические (случайные) процессы и последовательности.

Случайный процесс
- это такая функция, значение которой в фиксированный момент есть случайная величина, т.е. случайный процесс можно рассматривать как случайную величину, зависящую от параметра . В том случае, когда параметр меняется дискретно, случайный процесс называют случайной последовательностью.

Через
будем обозначать реализацию случайного процесса
.

Следует отметить, что многие статистические характеристики случайных процессов и последовательностей совпадают.

Как известно, наиболее полной характеристикой случайного процесса является - мерный закон распределения

или -мерная плотность распределения

Здесь символом обозначается вероятность события, заключенногов скобках. Значение может быть любым от I до
. Для произвольного случайного процесса такую информацию иметь невозможно. Однако существует класс случайных процессов (последовательностей), называемых марковскими, для которых статистические характеристики полностью определяются двумерным законом распределения или двумерной плотностью распределения.

Часто, особенно в прикладных задачах, для статистического описания случайных процессов используют начальные
ицентральные
моменты -гo порядка. Здесь символом
обозначена операция осреднения (математического ожидания). Наиболее важную роль играют следующие моменты:

Математическое ожидание (среднее значение)

; (5.3)

Дисперсия случайного процесса

Второй начальный момент

где
- центрированный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием;

Среднеквадратичное отклонение

. (5.6)

Из определения
,
,
и
следует, что эти величины характеризуют случайный процесс только в фиксированномсечении . Для характеристики связи двух различных сечений случайного процесса используется корреляционная функция;

. (5.7)

Если математическое ожидание
случайного процесса не зависит от времени, а корреляционная функция является функцией одного аргумента
, то такой процесс называется стационарным в широком смысле.

Если плотность распределения имеетгауссовский характер, то такой процесс называют гауссовским

.

Гауссовский процесс полностью определяется заданием математического ожидания
и корреляционной функции
.

Важной характеристикой стационарного случайного процесса в широком смысле является спектральная плотность
- плотностьраспределения дисперсии (энергии) по частотам.

Спектральная плотность
и корреляционная функция
связаны прямым и обратным преобразованием Фурье:

; (5.8)

. (5.9)

Чисто случайный процесс (последовательность) - это процесс, для которого случайные величины
взаимно независимы при любых значениях аргументов. Такой процесс полностью характеризуется одномерной функцией распределения. Чисто случайный стационарный процесс называют белым шумом, если корреляционная функция имеет вид - функции. Спектральная плотность такого процесса постоянна по всем частотам. Так как
, то нетрудновидеть, что дисперсия белого шума является бесконечно большой. Такие процессы в природе реально не существуют. Однако реальный шум по его воздействию на систему может быть заменен белым шумом. Кроме того, реальный случайный процесс можно представить как выходной сигнал некоторой системы (формирующего фильтра), на вход которой поступает белый шум. Поэтому задача статистического анализа или синтеза систем с реальными характеристиками случайных воздействий может быть сведена к задаче статистического анализа или синтеза, когда входным сигналом является белый шум. В настоящем учебном пособии, как правило, будут использоваться модели белых шумов и чисто случайных последовательностей.

Наряду со скалярными случайными процессами можно рассматривать и векторные случайные процессы:

где каждая компонента
является случайным процессом. Для характеристики векторного случайного процесса вводятся следующие векторы и матрицы:

Математическое ожидание :

; (5.11)

Дисперсионная матрица
:

(5.12)

с элементами

; (5.13)

Ковариационная матрица
:

(5.14)

с элементами

; (5.15)

Матрица

с элементами

. (5.17)

Здесь
означает транспонирование.

Непосредственно из определения матрицы
видно, что на ее диагонали расположены дисперсии составляющих случайного процесса.

Матрицы
,
и
обладают следующими свойствами:

; (5.18)

для всех и (5.I9)

Для стационарного векторного случайного процесса
вводится матрица спектральных плотностей как преобразование Фурье ко вариационной матрицы
, т.е.

. (5.21)

Матрица
обладает следующим свойством:

(5.22)

5.2. Математическое описание линейных систем при случайных возмущениях.

В общем виде уравнение управляемой динамической системы может быть записано в виде:

где - оператор (или в частном случае функция) системы, т.е. совокупность правил, по которым преобразуются начальное условие
, управляющие воздействия
, возмущающие воздействия
в выход системы
в момент .

Если параметр меняется непрерывно, то такую систему будем называть непрерывной; если меняется дискретно, то система называется дискретной.

Если оператор не зависит от параметров и , то такую систему называют стационарной. Оператор может быть линейным илинелинейным, однородным или неоднородным и может задаваться в различной форме, например, в форме дифференциальных и интегродифференциальных уравнений, с помощью передаточных функций и разностных уравнений.

В данном учебном пособии будут рассматриваться только линейные системы.

Рассмотрим системы, описываемые дифференциальными уравнениями.

Обозначим через

-мерный вектор состояния системы; через
- -мерный вектор управляющих воздействий; через
- -мерный вектор возмущений. Тогда уравнение движения линейной непрерывной динамической системы можно записать в следующей дифференциальной форме:

Здесь
,
,
- матрицы размерностей соответственно. Элементами этих матриц являются непрерывные функции. Если матрицы
иявляются постоянными, то управляемаясистема называется стационарной. Уравнения (5.24) обычно называют уравнениями состояния, так как они описывают изменение переменных состояния системы во времени.

Для целей управления необходимо знать состояние системы в любой текущий момент времени. Однако с помощью измерителей можно получить информацию, как правило, только о некоторых составляющих процессах или их комбинациях. Кроме того, наблюдаемые (выходные) переменные могут содержать погрешности измерения. В дальнейшем будем предполагать, что уравнения измерений имеют вид:

где
-
-мерный наблюдаемый сигнал;
- матрица размерности
,характеризующая способ измерения;
- погрешность измерения. Если
( - единичная матрица) и
, то говорят, что измерение полное и точное.

В некоторых случаях удобно представить решение системы (5.24) в интегральной форме через фундаментальную матрицу решений
,которая удовлетворяет следующему матричному уравнению:

(5.26)

В интегральной форме решение системы (5.24), в соответствии с формулой Коши, можно представить в следующем виде:

(5.27)

В выражении (5.27) первая составляющая учитывает свободное движение, обусловленное начальным условием , вторая составляющая учитывает вынужденное движение, обусловленное управляющими воздействиями на интервале времени
, третья составляющая характеризует вынужденное движение, обусловленное возмущениями
на интервале
.

Относительно системы (5.24), (5.25) сделаем следующие предположения:

(5.28)

Из соотношений (5.28) видно, что случайные процессы
и
являются процессами типа белого шума. Матрицы
и вектор считаются известными. Предполагаются известными в каждый момент времени и управляющие воздействия.

Одним из видов динамических систем являются дискретные системы, которые можно разделить на два типа:

а) собственно дискретные системы, такие как ЦВМ, автоматы различных типов и т.д.;

б) дискретные системы, которые получаются в результате использования непрерывных систем в дискретные моменты времени, в частности, при использовании в контуре управления вычислительных машин. Поведение дискретных систем обычно описывают разностными уравнениями, которые являются аналогом дифференциальных уравнений для непрерывных систем.

Рассмотрим поведение непрерывной системы с дискретным управлением, которое можно представить в виде кусочно-постоянной вектор-функции (рис. 15), т.е. управляющие воздействия можно записать в следующем виде:

для (5.29)

где - последовательность моментов времени, не обязательно равноотстоящих друг от друга.

Если нас интересует состояние системы только в дискретные моменты времени , то непрерывную систему (5.24) в эти моменты, используя соотношение (5.27), можно записать в следующем виде:

(5.30)

Учитывая (5.29), соотношение (5.30) перепишем в виде:

(5.31)

Третье слагаемое в соотношении (5.3I) можно рассматривать как некоторую случайную последовательность. В том случае, когда случайный процесс типа белого шума, то справедливо следующее соотношение:

,

где
- чисто случайная последовательность.

Вводя обозначения

(5.32)

систему уравнений (5.31) запишем в виде:

Матрицы называются переходными матрицами по состоянию, управлению и возмущению соответственно;
- дискретное время.

Уравнение измерений, соответственно, можно записать в виде:

Иногда систему (5.33) - (5.34) записывают в следующем виде:

Относительно систем (5.33), (5,34) будем предполагать, что:

(5.37)

Пример. Рассмотрим вращательное движение тела вокруг одной из осей под действием возмущающего момента
. Уравнения движения имеют вид:

, (5.38)

где - момент инерция тела;- угол поворота тела в некоторойинерциальной системе координат. Вводя новые переменные

(5.39)

получим уравнения движения объекта в нормальной форме:

(5.40)

Для этой системы уравнений фундаментальная матрица
состоит из двух вектор-столбцов решений следующей системы уравнений

с начальными условиями

Отсюда следует, что матрица
имеет вид:

(5.41)

Этот же результат получается, если искать матрицу
в виде ряда:

Рассмотрим поведение системы (5.40) через равные промежутки времени в моменты , т.е.
.

На основании соотношений (5.3I) - (5.33), полагая, что
постоянно на шаге дискретности, получим следующую эквивалентную дискретную систему:

(5.43)

(5.44)

В дальнейшем необходимо получить зависимость
не только от и
, но оти всех предшествующих
. Используя соотношения (5.33), для различныхможно записать:

Продолжая соответствующие выкладки, можно получить соотношение

, (5.45)

где матрица
определяется следующим образом:

причем
при
.

Полученные соотношения (5.45), (5.46) будут использованы при статистическом анализе дискретных систем.

5.3. Уравнения моментов для линейных систем

Сначала рассмотрим непрерывные системы. Пусть уравнения движения имеют вид;

. (5.47)

Относительно возмущающих воздействий
и начального состояния будем предполагать, что они удовлетворяют условиям (5.28).

При получении соотношений для математического ожидания состояния системы
осредним уравнение (5.47):

Учитывая (5.28), получим:

. (5.48)

На основании (5.47), (5.48) уравнение для центрированной составляющей
имеет вид:

. (5.49)

Теперь найдем уравнение для дисперсионной матрицы . Дифференцируя по матрицу
и учитывая, что матрицы
и
не случайные, получим:

(5.50)

Для вычисления математического ожидания
используем формулу Коши (5.27):

. (5.51)

Умножив выражение (5.51) справа на
, осредниви учитывая (5.28), получим:

(5.52)

С учетом того, что

, (5.53)

уравнение (5.50) примет вид;

с начальным условием
.

Теперь пусть поведение системы описывается дискретным уравнением

Будем полагать, что начальное условие и возмущающие воздействия
удовлетворяют соотношениям (5.37). Найдем уравнения для математического ожидания и дисперсионной матрицы.

Осредняя (5.55) и учитывая (5.37), получим:

Уравнение для центрированной составляющей
имеет вид:

Используя (5.57) и (5.37), найдем уравнение для дисперсионной матрицы
:

(5.58)

Определим математическое ожидание
, используясоотношение (5.45) и свойства (5.37):

(5.59)

Аналогично

.

Таким образом, уравнение для определения матрицы
имеет вид:

5.4. Задача оптимальной фильтрации и ее решение методом Калмана

Как было показано раньше, для оптимального управления по принципу обратной связи необходимо иметь полную информацию о состоянии системы. Однако измерению доступны лишь некоторые функции состояния или их комбинации. Кроме того, наблюдаемый сигнал содержит погрешности измерений. В такой ситуации важной является задача получения наилучшей оценки состояния системы по результатам измерений – задача оптимальной фильтрации.

Предположим, что динамический процесс описывается совокупностью дифференциальных уравнений

где
--мерный вектор состояния,
--мерный вектор возмущающих воздействий,
и
матрицы соответствующих размерностей.

Пусть измерению поддается
-мерный вектор некоторых комбинаций функций состояния (5.25)

где
- погрешность измерения.

Относительно свойств случайных процессов
и начального состояния
будет предполагать, что они удовлетворяют условиям (5.28), т.е. будет предполагать, что это случайные процессы типа белого шума, не коррелированные друг с другом и начальным состоянием системы.

Математически задача оптимальной фильтрации ставится как задача отыскания оценки
состояния системы (5.61)
на основе имеющейся информации
.

Калман предложил искать уравнение фильтра в виде линейной системы на вход которой подается наблюдаемый сигнал
. Тогда уравнения движения такой системы можно описать совокупностью уравнений

(5.63)

где матрицы
и
подлежат определению, т.е. структура фильтра задается, а параметры структуры и начальное состояние определяются из дополнительных условий.

Так как
, то всегда будет ошибка оценки

.

Тогда для определения искомых матриц
и
можно использовать условие несмещенности оценки

(5.64)

и условие ее оптимальности

где
- симметричная положительно определенная матрица.

Для того, чтобы использовать условия (5.64) и (5.65) найдем уравнение для ошибки оценивания. Вычитая (5.63) из (5.61) с учетом (5.62), получим

Если теперь положить, что

то уравнение для ошибки оценки
примет вид:

с начальным условием

. (5.68)

Из (5.67), (5.68) следует, что условие несмещенности оценки (5.64) будет выполнено, если положить

. (5.69)

Чтобы убедиться в этом, достаточно взять математическое ожидание от выражений (5.67), (5.68)

т.е. получили однородное линейное уравнение с нулевыми начальными условиями, откуда непосредственно следует, что
для любого.

Остается определить матрицу
из условия минимума критерия (5.65). Примем для простоты выкладок, что
- постоянная единичная матрица, тогда

Здесь
- корреляционная матрица ошибки оценивания (матрица вторыхцентральных моментов ошибок оценки компонент вектора состояния системы). Обозначим ее через
, тогда критерий оптимальности есть сумма диагональных элементов этой матрицы. В соответствие с условием локальной оптимальности будем искать оптимальное значение матрицы
из условия минимума производной к ритерия по времени:

. (5.71)

Нетрудно показать, что минимизация производной критерия обеспечивает минимум и для самого критерия

Запишем выражение
, опуская для простоты время :

. (5.72)

Подставив в (5.72) выражение для из (5.67) и соответствующее выражение для , получим:

(5.73)

Найдем
, для чего запишем уравнение Коши для (5.67):

где
- весовая матричная функция. Тогда

Используем свойство дельта-функции:

,

если имеетразрыв в точке
.

Поскольку

. (5.74)

Аналогично можно найти
:

. (5.75)

Подставив полученные выражения для
и соответственно транспонированные выражения для
в (5.73) получим:

Следующее тождество легко проверить, раскрыв в правой части скобки и использовав симметрию матрицы
:

С учетом тождества приведем уравнение (5.76) к виду:

В правой части (5.78) от коэффициента
будет зависеть лишь последнее слагаемое, причем оно представляет собой положительно определенную матрицу. Очевидно, что для минимизации критерия (5.71) нужно выбрать
в следующем виде:

При этом последний член в уравнении (5.78) обращается в нуль и уравнение приобретает вид

с начальным значением
.

Итак, можем записать уравнение фильтра

Уравнения (5.79), (5.80), (5.81) представляют собой уравнения фильтра Калмана-Бьюси.

Система оценивания (фильтр) схематически представлена на рис. 16.

Следует отметить, что уравнение фильтра и его параметры не зависят от матрицы
, однако последняя должна быть положительно определенной.

Для стационарной системы при стационарном возмущающем воздействии и стационарном шуме измерителя после окончания переходных процессов матричный коэффициент усиления в фильтре Калмана становится постоянным
, а уравнение Риккати (5.80) вырождается в алгебраическое.При этом процесс
и, следовательно, процесс
являются стационарными, так что
.

Запишем уравнения стационарного фильтра Калмана в следующем виде:

; (5.83)

Один из часто используемых способов решения уравнения (5.84) (обычно с помощью ЦВМ) заключается в решении нестационарного уравнения (5.80) с соответствующими постоянными значениями коэффициентов, из которых составлены матрицы А, С, Q, R, и произвольной неотрицательно определенной матрицей начальных условий для в текущем времени до тех пор, пока полученное решение не достигнет постоянного установившегося значения. Это окончательное значение принимается за искомое решение уравнения (5.84). Такой способ решения удобен тем, что алгоритмы решения дифференциальных уравнений, как правило, эффективнее алгоритмов решения нелинейных алгебраических уравнений.

Замечание 1.

Важным свойством полученной ошибки является то, что она некоррелирована с ошибкой оценивания, т.е.

.

Замечание 2.

Пусть теперь уравнение измерения имеет вид (5.62), а погрешность измерения отсутствует. В этом случае для получения оценки
необходимо воспользоваться производной
наблюдаемого сигнала

которая может быть представлена в виде (5.62)

Замечание 3.

Для управляемых систем, описываемых совокупностью уравнений

Уравнение фильтра может быть получено аналогично. В этом случае уравнение фильтра будет иметь вид

где матрица
, а корреляционная матрица
, как и раньше, находится из матричного уравнения

с начальным условием
.

Система оценивания (фильтр) схематически представлена на рис. 17.

5.5. Синтез локально-оптимального управления линейными стохастическими системами при полной и точной информации.

Пусть управляемое движение в условиях воздействия возмущений описывается системой уравнений

Случайный процесс
и начальное состояние будем считать независимыми, обладающими свойствами (5.28). Предполагается, что состояние
в любой момент времени известно. Будем искать управление
как некоторую линейную функцию текущего состояния

. (5.88)

Тогда задача определения локально-оптимального управления сводится к нахождению
-матрицы
. Оптимальную матрицу
будем искать среди матриц, элементами которых являются непрерывные функции со значениями из открытой области.

В качестве функционала, характеризующего управляемое движение, возьмем математическое ожидание локального функционала
(4.27)

.

Введем матрицу корреляционных моментов

. (5.89)

Используя (5.88), (5.89) функционал можно
преобразовать к виду

(5.90)

Таким образом, значение критерия качества в текущий момент времени определяется матрицей корреляционных моментов.

Найдем уравнение для ее определения. Уравнение управляемого процесса (5.87) с учетом (5.88) можно представить в виде

где матрица

B соответствии с (5.54) уравнение для матрицы
будет иметь вид

или, с учетом (5.91),

(5.92)

Начальным условием является, очевидно,

Из (5.92), (5.93) с учетом предположения о симметричности матриц ,
непосредственно следует, что матрица
является симметричной, т.е.
.

Таким образом, задача определения оптимального управления свелась к задаче определения матрицы
из условия минимума
(5.90). Для нахождения ее воспользуемся условием (4.28). Дифференцируя (5.90) и учитывая (5.92), получим

Выпишем составляющие
, зависящие от
:

Обозначим через
искомую локально-оптимальную матрицу. Введем в рассмотрение семейство матричных функций сравнения

.

где
- произвольная малая вариация матричной функции
из рассматриваемого класса.

Приращение
, вызванное вариацией матрицы
, будет иметь вид

Тогда из (5.94) следует, что

В силу произвольности
и предполагая, что матрица
не особая, из условия
получим уравнение для определения оптимальной матрицы

Найденное значение
действительно доставляет минимум
, так как вторая вариация

в силу определенной положительности матрицы
. Здесь.

Сравнивая (5.88), (5.95) с (4.30), видим, что найденное локально-оптимальное управление полностью совпадает с локально-оптимальным управлением для детерминированного случая.

Таким образом, синтезированное локально-оптимальное управление для детерминированной системы при полной и точной информации о ее состоянии оказывается локально-оптимальным и для стохастической системы, возбуждаемой случайным возмущением типа белого шума

Аналогичный результат имеет место и при квадратичном критерии качества (4.19).

Это объясняется тем, что при
поведение стохастической системы зависит от возмущения
, значение которого предсказать не представляется возможным, и поэтому управление целесообразно оставлять таким же, как в детерминированном случае при отсутствие этих возмущений.

5.6. Синтез локально-оптимального управления линейными стохастическими системами (теорема разделения).

Пусть управляемое движение описывается уравнением (5.87), а уравнение измерения – (5.62).

Рассмотрим задачу синтеза, оптимального по критерию

При этом будем отыскивать такое управление, значение которого в момент времени определяется значениями вектор-функции
на отрезке
.

Обозначим через
оптимальную оценку состояния управляемой системы, через
- ошибку оценивания.

Наряду с системой (5.87) рассмотрим соответствующую ей неуправляемую систему

с уравнением измерения

Для вспомогательной системы задача фильтрации решена и оценка
удовлетворяет уравнению

(5.98)

с начальным условием

где матрица
определяется из уравнений (5.79), (5.80).

Из уравнений (5.87) и (5.97) следует, что

, (5.99)

где
- фундаментальная матрица решений систем (5.87).

Мы отыскиваем управление, которое определяется в момент времени значениями вектор-функции
на отрезке
. Тогда для каждой реализации
процесса
управление
принимает конкретное значение, т.е. управление является детерминированным оператором от вектора наблюдений. Поэтому

(5.100)

Из (5.99) и (5.100) следует, что

Найдем теперь уравнение для определения
. Для этого дифференцируя (5.100), получим

Учитывая (5.98), найдем

(5.101)

Тогда уравнение фильтра окончательно запишется в виде (5.85)

с начальным условием

, (5.103)

т.е. фильтр для определения оценки состояния управления системы есть динамическое звено, на вход которого поступает измеряемый сигнал и управление
.

Теорема разделения. Локально-оптимальное управление системой (5.87) по критерию (5.96) имеет вид:

Здесь
- заданные матрицы локального функционала, а
- решение векторного уравнения (5.102) с начальным условием (5.103).

Доказательство. Рассмотрим функционал (5.96). Учитывая, что оценки
и ошибка оценки
не коррелированны для всех, функционал (5.96) можно представить в виде

,

Так как на
не влияет ни
, ни
, то задача сводится к минимизациипри условиях (5.102), (5.103). При этом оценка является полностью наблюдаемой.

Рассмотрим выражение

Учитывая, что , нетрудно показать , что

Таким образом, в уравнении (5.102) выражение
можно рассматривать как эквивалентный «белый шум» с корреляционной матрицей
.

В результате мы пришли к задаче синтеза локально-оптимального уравнения в системе (5.102), (5.103), возмущаемой «белым шумом» при полном и точном измерении ее состояния, решение которой было дано в предыдущем разделе. Теорема доказана. Можно показать, что теорема разделения справедлива и при синтезе оптимального управления по квадратичному решению.

Для выбора оптимального решения при выполнении задач программирования иногда требуется перебирать большое количество комбинаций данных, что нагружает память персонального компьютера. К таким методам относится, например, метод программирования «разделяй и властвуй». В данном случае алгоритмом предусмотрено разделение задачи на отдельные мелкие подзадачи. Такой метод применяется только в тех случаях, когда мелкие подзадачи независимы между собой. Для того чтобы избежать выполнения лишней работы в том случае, если подзадачи взаимозависимы, используется метод динамического программирования, предложенный американцем Р.Беллманом в 50-х годах.

Суть метода

Динамическое программирование заключается в определении оптимального решения n-мерной задачи, разделяя ее n отдельных этапов. Каждый из них является подзадачей по отношению к одной переменной.

Основным преимуществом такого подхода можно считать то, что разработчики занимаются одномерными оптимизационными задачами подзадач вместо n-мерной задачи, а решение главной задачи собирается «снизу вверх».

Целесообразно применять динамическое программирование в тех случаях, когда подзадачи взаимосвязаны, т.е. имеют общие модули. Алгоритмом предусмотрено решение каждой из подзадач один раз, и сохранение ответов выполняется в специальной таблице. Это дает возможность не вычислять ответ заново при встрече с аналогичной подзадачей.

Задача динамического программирования оптимизации. Автором этого метода Р. Беллманом был сформулирован принцип оптимальности: каким бы ни являлось начальное состояние на каждом из шагов и решение, определенное на этом шаге, все следующие выбираются оптимальными по отношению к тому состоянию, которое принимает система в конце шага.

Метод усовершенствует выполнение задач, решаемых с помощью перебора вариантов или рекурсий.

Построение алгоритма задачи

Динамическое программирование предполагает построение такого алгоритма задач, при котором задача так разбивается на две или больше подзадач, чтобы ее решение складывалось из оптимального решения всех подзадач, входящих в нее. Далее возникает необходимость в написании рекуррентного соотношения и вычислении оптимального значения параметра для задачи в целом.

Иногда на 3-м шаге нужно дополнительно запоминать некоторую вспомогательную информацию о ходе выполнения каждой подзадачи. Это называется обратным ходом.

Применение метода

Динамическое программирование применяется при наличии двух характерных признаков:

• оптимальность для подзадач;
• наличие в задаче перекрывающихся подзадач.

Решая методом динамического программирования, сначала необходимо описать структуру решения. Задача обладает оптимальностью, если решение задачи складывается из оптимальных решений ее подзадач. В этом случае целесообразно использовать динамическое программирование.

Второе свойство задачи, существенное при данном методе, - небольшое число подзадач. Рекурсивное решение задачи использует одни и те же перекрывающиеся подзадачи, количество которых зависит от размера исходной информации. Ответ хранится в специальной таблице, программа экономит время, пользуясь этими данными.

Особенно эффективно применение динамического программирования тогда, когда по существу задачи нужно принимать решения поэтапно. Например, рассмотрим простой пример задачи замены и ремонта оборудования. Допустим, на литейной машине завода по изготовлению шин делают одновременно шины в двух разных формах. В том случае, если одна из форм выходит из строя, приходится машину разбирать. Понятно, что иногда выгоднее заменить и вторую форму для того, чтобы не разбирать машину на случай, если и эта форма окажется неработоспособной на следующем этапе. Тем более, бывает проще заменить обе работающие формы до того, как они начнут выходить из строя. Метод динамического программирования определяет наилучшую стратегию в вопросе о замене таких форм, учитывая все факторы: выгоду от продолжения эксплуатации форм, потери от простоя машины, стоимость забракованных шин и другое.