Podręcznik
2. Przykłady zadań optymalizacji
2.3. Zadanie optymalnej identyfikacji modelu transformacji (funkcji)
Interesuje nas określenie funkcji H opisującej zależność między dwiema wielkościami x i y. Jeżeli wartości wielkości (zmiennych) możemy mierzyć za pomocą fizycznego eksperymentu wiążącego w (uporządkowane) pary liczbowe wartości tych wielkości, znamy ciąg pomiarów , to mamy do czynienia z tzw. zadaniem identyfikacji modelu funkcji.
W praktyce rzadko kiedy mamy do czynienia z czarną skrzynką taką jak na rysunku. Często związek łączący zmienne znamy z dokładnością do n-wymiarowego wektora parametrów liczbowych . Skrzynka jest „szara” i wyznaczyć trzeba konkretną wartość parametrów.
Zapiszmy teraz stosowne zadanie optymalizacji przyjmując, że mamy do czynienia z szarą skrzynką.
Przyjmujemy wiec, że znamy funkcję dwu zmiennych
( jest n-wymiarowym wektorem parametrów), a także ciąg par pomiarów
Jeżeli dla każdego ( zdefiniujemy ciąg różnic między wielkością zmierzoną a przewidywaną przez model
to jako kryterium wyboru „najlepszego ( ” powinniśmy wybrać funkcję, która te wszystkie różnice będzie minimalizować. Ponieważ dodatnie różnice są tak samo „złe” jak ujemne, to funkcja oceniająca, w najprostszym przypadku, powinna mieć jedną z dwu form
(proszę porównać przykład poprzedni).
Jak pamiętamy, do ostatecznego sformułowania zadania optymalizacji potrzebne jest określenie zbioru dopuszczalnego. W przypadku zadań identyfikacji czasami nie ma wyraźnych ograniczeń na wartości parametrów. Gdy takie ograniczenia występują zapiszemy je w bardzo ogólny sposób, jako wymaganie \(\alpha \in A\) , gdzie domknięty zbiór jest znany.
Możemy więc sformułować np. następujące zadania minimalizacji (identyfikacji modelu):
- Pierwsze, wymyślone w pierwszej połowie XIX w. przez K. Gaussa: tzw. zadanie doboru parametrów modelu nieliniowego metodą najmniejszych kwadratów
- Drugie
Zwróćmy tu uwagę na fakt, że zadanie Gaussa sformułowaliśmy jako zadanie bez ograniczeń, a zadanie drugie jako zadanie z ograniczeniami na wartości parametrów. Ponadto w praktyce, podobnie jak w przykładzie dotyczącym projektowania autopilota opisanym w punkcie 2.2, częściej parametry modelu dobiera się metodą najmniejszych kwadratów (funkcja ), bo to zadanie jest łatwiej rozwiązać (nawet gdy dodamy do niego ograniczenia).
Co łączy te trzy przykłady?
W obu, wykorzystując wiedzę i doświadczenie konkretnych nauk danego rodzaju sformalizowano zadanie optymalizacji, inaczej mówiąc zbudowano matematyczny model zadania optymalizacji o tej samej, typowej strukturze. Przedstawimy teraz ten abstrakcyjny model formalnie.