二层规划问题因为广泛的实际应用而倍受关注[1, 2], 然而即使约束条件是线性的, 二层规划问题的求解仍然是NP难的.一般是利用下层规划的KKT条件将二层规划转化为单层规划.由于互补松弛条件的存在使得约束规格不成立[3-6], 从而很多传统的非线性规划的解法无法应用.因此, 我们对于转化后的单层问题给出扰动, 然后讨论扰动问题的解、收敛性以及与原二层规划解之间的关系.人工神经网络是一非线性动力学系统, 它具有大规模并行协同处理能力.利用神经网络方法求解最优化问题近年来发展迅速[7].本文讨论了二层规划问题一种神经网络方法, 最后是相关的数据实验.
考虑二层规划问题:
其中
是二阶连续可微函数, (UP), (LP)分别表示上、下层规划, 分别是上、下层规划的决策变量.
本文中我们假设: (A1) 对任意给定$x\in \{x|\exists y, {\hbox{s.t.}}~~G(x, y)\ge 0g(x, y)\ge 0\}$, 下层规划(LP)是满足MFCQ的凸规划.
(A2) BLP问题的约束域$S=\{(x, y): G(x, y)\ge 0, g(x, y)\ge 0\} $是非空紧集.
在(A1) 和(A2) 条件下, BLP可变为
其中${{\lambda }^{T}}g(x, y)=0$叫互补松弛条件, $L(x, y, \lambda)=f(x, y)+\lambda \cdot g(x, y)$是下层规划的Lagrange函数.显然问题属于MPEC.然而, MPEC问题在可行域内任何点均不满足MFCQ约束规格(Mangasarian-Fromovitz Constraint Qualification), 更不用说线性独立规格(LICQ).为此, 我们引进MPEC-LICQ定义.
为方便起见, 引进以下记号:记${x}'=(x, y, \lambda), {{G}_{I}}={{I}_{G}}=\left\{ i\left| {{G}_{i}}=0 \right. \right\}, K=\left\{ k\left| {{\lambda }_{k}}=0 \right. \right\}$.
定义1 对于MPEC问题, 除互补松弛条件以外, 其他积极约束条件线性独立我们称为MPEC-LICQ, 对于SP是
行满秩.
定义2 对于MPEC问题
若$z$满足$\{\nabla {{g}_{i}}(z)\cdot d\left| i:{{g}_{i}}(z)=0\}=0, i=1, 2 \right.$, 称点为$B$ -稳定点.
因为许多传统非线性规划算法依赖于线性独立约束规格(LICQ), 而MPEC问题可行域内所有点均不满足, 为了避免这一困难, 我们考虑扰动的规划问题:
由文献[4, 6], 有下述命题.
命题1 如果在BLP问题的可行点${{\bar{{x}'}}_{n}}$处MPEC-LICQ成立, 则存在${{\bar{{x}'}}_{n}}$的邻域$U$以及$\varepsilon >0$, 使得LICQ在任一点$z\in U\cap F({\hbox{S}}{{\overset{{}}{\mathop{{\hbox{P}}}}\, }_{{{\varepsilon }_{n}}}})$成立[4].
定理1 若${{\bar{{x}'}}_{n}}$是的$B$ -稳定点, 且在${{\bar{{x}'}}_{n}}$处MPEC-LICQ、二阶充分条件成立, 则${{\bar{{x}'}}_{n}}$是BLP问题的局部最优解, 且存在${{\bar{{x}'}}_{n}}$的邻域$U$和$\bar{\varepsilon }$, 使得对${{\varepsilon }_{n}} < \bar{\varepsilon }$有唯一的稳定点${{\bar{{x}'}}_{n}}, {{\bar{{x}'}}_{n}}\to \bar{{x}'}$.
定理1的证明 当${{\bar{{x}'}}_{n}}$是SP的$B$ -稳定点且二阶充分条件成立时, ${{\bar{{x}'}}_{n}}$是SP的严格局部极小值点, 此时
由文献[4]中的定理4.1, 可知结论成立.这里的条件并不难达到, 事实上文献[4]中指出, 对于SP问题的函数空间, 有稠密子集${{P}_{0}}$, 使得在${{P}_{0}}$中SP的所有可行点MPEC-LICQ成立, 且对于局部极小点${{\bar{{x}'}}_{n}}$, 二阶充分条件成立[4].
在$S{{P}_{{{\varepsilon }_{n}}}}$中, 记
则${\hbox{S}}{{{\hbox{P}}}_{{{\varepsilon }_{n}}}}$问题可以改写为
本文利用文献[7]的方法,结合上述扰动思想,求解二层规划问题的一般方法为$E({x}', \upsilon, \mu)=F({x}')+{{\upsilon }^{T}}q({x}')+{{\mu }^{T}}c({x}')\mu $神经网络动态方程为
写成标量的形式是
定理2 如果在BLP问题的可行点${{\bar{{x}'}}_{n}}$处MPEC-LICQ成立, 且${\hbox{S}}{{{\hbox{P}}}_{{{\varepsilon }_{n}}}}$满足二阶充分条件, 则${{\bar{{x}'}}_{n}}$是系统(3.1) 的稳定点.
定理2的证明 若${{\bar{{x}'}}_{n}}$处MPEC-LICQ成立, 则存在${{\bar{{x}'}}_{n}}$的邻域$U$以及$\varepsilon >0$, 使得LICQ在任一点$z\in U\cap F({\hbox{S}}{{\overset{{}}{\mathop{{\hbox{P}}}}\, }_{{{\varepsilon }_{n}}}})$成立[2], 又${\hbox{S}}{{{\hbox{P}}}_{{{\varepsilon }_{n}}}}$满足二阶充分条件, ${{\bar{{x}'}}_{n}}$是BLP问题的局部最优解, 且存在${{\bar{{x}'}}_{n}}$的邻域$U$和$\bar{\varepsilon }$, 使得对${{\varepsilon }_{n}} < \bar{\varepsilon }, {\hbox{S}}{{{\hbox{P}}}_{{{\varepsilon }_{n}}}}$有唯一的稳定点${{\bar{{x}'}}_{n}}{{\bar{{x}'}}_{n}}\to \bar{{x}'}$.
由KKT条件知, ${{\bar{{x}'}}_{n}}$是$E({x}', \upsilon, \mu)$的鞍点, 即${{\bar{{x}'}}_{n}}$是$E({x}', \upsilon, \mu)$的稳定点, 由可微函数极值点的必要条件知定理成立.
利用Matlab 6.5中的ode45命令, 取${{\varepsilon }_{n}}=0.001$.
例1
结果是$x = -0.0000, 2.0000, 1.0000, 0.0000.$
例2
可得$x = 0.0000, 2.0000, 1.8750, 0.9062, 0, 1.2500, fval = -18.6787. $