Articulo de referencia

Lexicographic optimization

Lexicographic optimization is a kind of multi-objective optimization . In general, multi-objective optimization deals with optimization problems with two or more objective funct...

Lexicographic optimization is a kind of multi-objective optimization. In general, multi-objective optimization deals with optimization problems with two or more objective functions to be optimized simultaneously. Often, the different objectives can be ranked in order of importance to the decision-maker, so that objective f1{\displaystyle f_{1}} is the most important, objective f2{\displaystyle f_{2}} is the next most important, and so on. Lexicographic optimization presumes that the decision-maker prefers even a very small increase in f1{\displaystyle f_{1}}, to even a very large increase in f2,f3,f4,{\displaystyle f_{2},f_{3},f_{4},} etc. Similarly, the decision-maker prefers even a very small increase in f2{\displaystyle f_{2}}, to even a very large increase in f3,f4,{\displaystyle f_{3},f_{4},} etc. In other words, the decision-maker has lexicographic preferences, ranking the possible solutions according to a lexicographic order of their objective function values. Lexicographic optimization is sometimes called preemptive optimization,[1] since a small increase in one objective value preempts a much larger increase in less important objective values.

As an example, consider a firm which puts safety above all. It wants to maximize the safety of its workers and customers. Subject to attaining the maximum possible safety, it wants to maximize profits. This firm performs lexicographic optimization, where f1{\displaystyle f_{1}} denotes safety and f2{\displaystyle f_{2}} denotes profits.

As another example,[2] in project management, when analyzing PERT networks, one often wants to minimize the mean completion time, and subject to this, minimize the variance of the completion time.

Notation

A lexicographic maximization problem is often written as:lexmaxf1(x),f2(x),,fn(x)subject toxX{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {lex} \max &&f_{1}(x),f_{2}(x),\ldots ,f_{n}(x)\\{\text{sujeto a}}&&x\in X\end{aligned}}}where f1,,fn{\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}} are the functions to maximize, ordered from the most to the least important; x{\displaystyle x} is the vector of decision variables; and X{\displaystyle X} is the feasible set - the set of possible values of x{\displaystyle x}. A lexicographic minimization problem can be defined analogously.

Algorithms

There are several algorithms for solving lexicographic optimization problems.[3]

Sequential algorithm for general objectives

A leximin optimization problem with n{\displaystyle n} objectives can be solved using a sequence of n{\displaystyle n} single-objective optimization problems, as follows:[1][3]:Alg.1

  • Fort=1,,n{\displaystyle t=1,\dots ,n}do
    • Solve the following single-objective problem:max   ft(x)subject to   xX,fk(x)zk for all k in 1,,t1.{\displaystyle {\begin{aligned}\max ~~~f_{t}(x)\\{\text{sujeto a}}~~~&x\in X,\\&f_{k}(x)\geq z_{k}{\text{ para todo }}k{\text{ en }}1,\ldots ,t-1.\end{aligned}}}
    • If the problem is infeasible or unbounded, stop and declare that there is no solution.
    • Otherwise, put the value of the optimal solution in zt{\displaystyle z_{t}} and continue.
  • End for

So, in the first iteration, we find the maximum feasible value of the most important objective f1(x){\displaystyle f_{1}(x)}, and put this maximum value in z1{\displaystyle z_{1}}En la segunda iteración, encontramos el valor máximo factible del segundo objetivo más importante.F2(incógnita){\displaystyle f_{2}(x)}, con la restricción adicional de que el objetivo más importante debe mantener su valor máximo dez1{\displaystyle z_{1}}; etcétera.

El algoritmo secuencial es general; se puede aplicar siempre que tengamos un solucionador para funciones de un solo objetivo.

Algoritmo simplex lexicográfico para objetivos lineales

La optimización lexicográfica lineal [ 2 ] es un caso especial de optimización lexicográfica en el que los objetivos son lineales y el conjunto factible se describe mediante desigualdades lineales . Se puede escribir como:lexmáximodo1incógnita,do2incógnita,,donorteincógnitasujeto aAincógnitab,incógnita0{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {lex} \max &&c_{1}\cdot x,c_{2}\cdot x,\ldots ,c_{n}\cdot x\\{\text{sujeto a}}&&A\cdot x\leq b,x\geq 0\end{aligned}}}dóndedo1,,donorte{\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}}son vectores que representan los objetivos lineales a maximizar, ordenados del más al menos importante;incógnita{\displaystyle x}es el vector de variables de decisión; y el conjunto factible está determinado por la matrizA{\displaystyle A}y el vectorb{\displaystyle b}.

Isermann [ 2 ] extendió la teoría de la dualidad de la programación lineal a los programas lineales lexicográficos y desarrolló un algoritmo simplex lexicográfico . A diferencia del algoritmo secuencial, este algoritmo simplex considera todas las funciones objetivo simultáneamente.

Promedio ponderado para objetivos lineales

Sherali y Soyster [ 1 ] demuestran que, para cualquier problema de optimización lexicográfica lineal, existe un conjunto de pesosw1>w2>>wnorte{\displaystyle w_{1}>w_{2}>\cdots >w_{n}}de tal manera que el conjunto de soluciones lexicográficamente óptimas sea idéntico al conjunto de soluciones del siguiente problema de un solo objetivo:máximow1F1(incógnita)++wnorteFnorte(incógnita)sujeto aincógnitaincógnita{\displaystyle {\begin{aligned}\max &&w_{1}f_{1}(x)+\cdots +w_{n}f_{n}(x)\\{\text{subject to}}&&x\in X\end{aligned}}}Una forma de calcular los pesos la proporciona Yager . [ 4 ] Él supone que todos los valores objetivos son números reales entre 0 y 1, y que la diferencia más pequeña entre dos valores posibles cualesquiera es una constante.d<1{\displaystyle d<1}(de modo que los valores con diferencia menor qued{\displaystyle d}se consideran iguales). Entonces, el pesowt{\displaystyle w_{t}}deFt(incógnita){\displaystyle f_{t}(x)}está configurado para aproximadamentedt{\displaystyle d^{t}}Esto garantiza que se maximice la suma ponderada.twtFt(incógnita){\displaystyle \sum _{t}w_{t}f_{t}(x)}es equivalente a la maximización lexicográfica.

Cococcioni, Pappalardo y Sergeyev [ 5 ] muestran que, dado un ordenador que puede realizar cálculos numéricos con infinitesimales , es posible elegir pesos que sean infinitesimales (específicamente:w1=1{\displaystyle w_{1}=1};w2{\displaystyle w_{2}}es infinitesimal;w3{\displaystyle w_{3}}es infinitesimal-cuadrado; etc.), y así reducen la optimización lexicográfica lineal a programación lineal de un solo objetivo con infinitesimales. Presentan una adaptación del algoritmo simplex a infinitesimales y muestran algunos ejemplos prácticos.

Propiedades

(1) Unicidad . En general, un problema de optimización lexicográfica puede tener más de una solución óptima. Sin embargo, siincógnita1{\displaystyle x^{1}}yincógnita2{\displaystyle x^{2}}son dos soluciones óptimas, entonces su valor debe ser el mismo, es decir,Fi(incógnita1)=Fi(incógnita2){\displaystyle f_{i}(x^{1})=f_{i}(x^{2})}a pesar dei[norte]{\displaystyle i\in [n]}. [ 3 ] : Teorema 2 Además, si el dominio factible es un conjunto convexo y las funciones objetivo son estrictamente cóncavas , entonces el problema tiene como máximo una solución óptima, ya que si hubiera dos soluciones óptimas diferentes, su media sería otra solución factible en la que las funciones objetivo alcanzaran un valor más alto, contradiciendo la optimalidad de las soluciones originales.

(2) Sumas parciales . Dado un vectorF1,,Fnorte{\displaystyle f_{1},\ldots ,f_{n}}de funciones para optimizar, para todost{\displaystyle t}en1,,norte,{\displaystyle 1,\dots ,n,}definirF1..t:=i=1tFi{\displaystyle f_{1..t}:=\sum _{i=1}^{t}f_{i}}= la suma de todas las funciones desde la más importante hasta la mást{\displaystyle t}-el más importante. Entonces, el problema de optimización lexicográfica original es equivalente al siguiente: [ 3 ] : Teorema 4lexmáximoF1...1(incógnita),F1..2(incógnita),,F1..norte(incógnita)sujeto aincógnitaincógnita{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {lex} \max &&f_{1...1}(x),f_{1..2}(x),\ldots ,f_{1..n}(x)\\{\text{subject to}}&&x\in X\end{aligned}}}En algunos casos, el segundo problema puede ser más fácil de resolver.

Véase también

  • La optimización lexicográfica max-min es una variante de la optimización lexicográfica en la que todos los objetivos son igualmente importantes, y el objetivo es maximizar el objetivo más pequeño, luego el segundo objetivo más pequeño, y así sucesivamente.
  • En teoría de juegos, el nucleolo se define como un conjunto de soluciones lexicográficamente mínimo. [ 6 ]

Referencias

  1. 1 2 3 Sherali, HD; Soyster, AL (1983-02-01). "Programación multiobjetivo preventiva y no preventiva: relación y contraejemplos" . Journal of Optimization Theory and Applications . 39 (2): 173– 186. doi : 10.1007/BF00934527 . ISSN 1573-2878 . 
  2. 1 2 3 Isermann, H. (1982-12-01). "Optimización lexicográfica lineal" . Operations-Research-Spektrum . 4 (4): 223– 228. doi : 10.1007/BF01782758 . ISSN 1436-6304 . 
  3. 1 2 3 4 Ogryczak, W.; Pióro, M.; Tomaszewski, A. (2005). "Diseño de redes de telecomunicaciones y problema de optimización max-min" . Journal of Telecommunications and Information Technology . 3 (3): 43– 56. doi : 10.26636/jtit.2005.3.326 . ISSN 1509-4553 . 
  4. Yager, Ronald R. (1997-10-01). "Sobre la representación analítica del ordenamiento Leximin y su aplicación a la propagación de restricciones flexibles" . European Journal of Operational Research . 102 (1): 176– 192. doi : 10.1016/S0377-2217(96)00217-2 . ISSN 0377-2217 . 
  5. Cococcioni, Marco; Pappalardo, Massimo; Sergeyev, Yaroslav D. (2018-02-01). "Programación lineal multiobjetivo lexicográfica utilizando la metodología grossone: Teoría y algoritmo" . Matemáticas Aplicadas y Computación . Tendencias Recientes en Computación Numérica: Teoría y Algoritmos. 318 : 298–311 . doi : 10.1016/j.amc.2017.05.058 . hdl : 11568/877746 . ISSN 0096-3003 . 
  6. Kohlberg, Elon (1972-07-01). "El nucléolo como solución de un problema de minimización" . SIAM Journal on Applied Mathematics . 23 (1): 34– 39. doi : 10.1137/0123004 . ISSN 0036-1399 .