Cheat Sheet Materi 5

TI5001 / Optimisasi & Intelejensia Komputasional · Pemecahan Analitik Model Optimisasi Tak-Linier Himpunan Berpembatas (Persamaan dan Pertidaksamaan)

1 · Pembatas persamaan: Lagrange

Opt f(x), x ∈ Rn, dengan m pembatas gi(x)=0 (f dapat diturunkan 2×, gi dapat diturunkan)

L(x,λ) = f(x) − Σi=1..m λigi(x)λ = pengali Lagrange (m buah)

Kondisi perlu: ∂L/∂xj=0 (j=1..n) dan ∂L/∂λi=−gi(x)=0 (i=1..m) → n+m persamaan untuk n+m variabel (x,λ)

(1,1): min tanpa batas g: x₁+x₂=1x*=(½,½) kontur f menyinggung g

Jika ditulis L=f+λg: x* tetap, hanya tanda λ berbalik.

2 · Contoh Lagrange

Slide: min x1²+x2²−2x1−2x2, x1+x2=1

2x1−2−λ=0; 2x2−2−λ=0; x1+x2=1 → x*=(½,½), λ=−1, f=−3/2

maks x1x2, x1+x2=10: x2−λ=0, x1−λ=0 → x1=x2=λ=5, f=25

min x1²+x2², 2x1+x2=5: x1=λ, x2=λ/2 → λ=2, x*=(2,1), f=5

maks x1+x2, x1²+x2²=2: x1=x2=1/(2λ), λ=±½ → (1,1) dan (−1,−1): dua titik stasioner, bedakan lewat kondisi cukup

4 variabel + 2 pembatas → 4+2 = 6 persamaan, 6 variabel.

3 · Hessian bordered

0 (m×m)P (m×n)Pᵀ (n×m)Q (n×n) Hᵇ = P=∂gᵢ/∂xⱼQ=∂²L/∂x∂x
  • Ukuran (m+n)×(m+n); evaluasi di (x*,λ*)
  • P: ∂gi/∂xj (m×n); Q = Hessian L terhadap x (n×n)
  • n=4, m=2 → 6×6, P 2×4, Q 4×4

4 · Kondisi cukup: Hessian bordered

Periksa determinan n−m minor prinsipal (LPM) terakhir HB, mulai dari orde 2m+1 sampai m+n.

tanda det
maksimumberganti-ganti, mulai (−1)m+1
minimumsemua (−1)m
n, mordemaksmin
2, 13+−
3, 13, 4+, −−, −
4, 25, 6−, ++, +

min slide (n=2,m=1): det 011120102 = −4 <0 → min

maks x1x2: det 011101110 = 2 > 0 → maks

maks slide (n=3): −∑x²+2∑x, ∑x=1 → x*=(⅓,⅓,⅓), λ=4/3; orde 3 = 4, orde 4 = −12 (+,−) → maks

Maks −∑x² dg x1+2x2+3x3=14: x*=(1,2,3), λ=−2, orde 3=10, orde 4=−56 → maks.

5 · Kondisi cukup: metode Δ

Δ = [[0, P],[PT, Q − μI]], det(Δ)=0I identitas n×n; hasil: polinomial dalam μ
akar μx* adalah
semua negatifmaksimum
semua positifminimum

Contoh 1: det(Δ)=2μ−4=0 → μ=2 → min

Contoh 2 (maks): det(Δ)=−3μ²−12μ−12=0 → μ=−2 (dua kali) → maks

Hasil slide Contoh 3 (min, f=∑x²+2∑x): HB orde 3,4 = −4, −12; μ=2 (ganda) → min. Periksa lagi nilai x* dan λ di slide itu.

6 · Pembatas pertidaksamaan: KKT

Model: opt f(x) dengan gi(x) ≤ 0, i=1..m. L = f − Σλigi.

Bentuk standar: 2x1−x2≥4 → −2x1+x2+4 ≤ 0 (ruas ke kiri, kalikan −1 → tanda berbalik)

Syarat KKTbentuk
tanda λλi≥0 (maks); λi≤0 (min)
stasioner∂L/∂xj=0, j=1..n
complementary slacknessλigi(x)=0
kelayakangi(x)≤0

Aktif: gi=0; tak aktif (gi<0) → λi=0. Jumlah syarat = m+n+m+m: n=3,m=4 → 15; slide n=2,m=3 → 11

7 · Prosedur kasus KKT

  1. Bagi 2m kasus: tiap λi=0 atau ≠0 (m=4 → 16; m=3 → 8)
  2. λi≠0 → gi=0 (aktif); λi=0 → abaikan gi
  3. Pecahkan x, λ dari stasioner + pembatas aktif
  4. Cek layak (semua g≤0) dan tanda λ
  5. Lolos keduanya = memenuhi kondisi perlu
SoalKasusxλhasil
maks −(x1−3)²−(x2−3)², x1+x2≤5λ=0(3,3)0tak layak (6>5)
λ≠0(2½,2½)1lolos (≥0)
maks −(x1−1)²−(x2−1)², samaλ≠0(2½,2½)−1tanda salah
λ=0(1,1)0lolos
min x1+x2, x1≥1, x2≥11,1 aktif(1,1)−1,−1lolos (≤0)
maks −(x1−2)²−(x2−2)², x1+x2≤2λ≠0(1,1)2lolos
min (x1−3)²+(x2−1)², x1+x2≤2λ≠0(2,0)−2lolos

Slide 3 pembatas (8 kasus): maks −(x1−1)²−(x2−1)², x1+x2≤5, x≥0: hanya λ=(0,0,0) di (1,1) lolos; mis. (5,0) λ1=−8, λ3=−10 ditolak (maks butuh λ≥0); (0,0) λ=(0,−2,−2) ditolak.

8 · Kondisi cukup KKT & ringkasan

x₁+x₂≤5(3,3) (2½,2½) λ=1 pusat di luar → batas aktif (1,1) λ=0 pusat di dalam → λ=0
Kasusfhimpunan pembatas
maksimisasicekungcembung
minimisasicembungcembung

Fungsi linier = cembung dan cekung. Min x1+x2, x≥1: f linier + S cembung → (1,1) minimum global.

PersamaanPertidaksamaan
pembatasg=0g≤0
λtanda bebas≥0 maks / ≤0 min
syarat∂L/∂λ=0λg=0, g≤0
cukupHB atau Δkonveksitas f & S

Dirangkum dari slide kuliah TI5001. Cocokkan lagi dengan slide untuk detail lengkap.