On regularization of the nondifferential Kuhn-Tucker theorem in a nonlinear problem for constrained extremum
- Authors: Sumin M.I.1,2
-
Affiliations:
- Derzhavin Tambov State University
- Lobachevskii Nizhnii Novgorod State University
- Issue: Vol 27, No 140 (2022)
- Pages: 351-374
- Section: Original articles
- URL: https://journal-vniispk.ru/2686-9667/article/view/296494
- ID: 296494
Cite item
Full Text
Abstract
We consider a regular parametric nonlinear (nonconvex) problem for constrained extremum with an operator equality constraint and a finite number of functional inequality constraints. The constraints of the problem contain additive parameters, which makes it possible to use the apparatus of the “nonlinear” perturbation method for its study. The set of admissible elements of the problem is a complete metric space, and the problem itself may not have a solution. The regularity of the problem is understood in the sense that it has a generalized Kuhn-Tucker vector. Within the framework of the ideology of the Lagrange multiplier method, a regularized nondifferential Kuhn-Tucker theorem is formulated and proved, the main purpose of which is the stable generation of generalized minimizing sequences in the problem under consideration. These minimizing sequences are constructed from subminimals (minimals) of the modified Lagrange function taken at the values of the dual variable generated by the corresponding regularization procedure for the dual problem. The construction of the modified Lagrange function is a direct consequence of the subdifferential properties of a lower semicontinuous and, generally speaking, nonconvex value function as a function of the problem parameters. The regularized Kuhn-Tucker theorem “overcomes” the instability properties of its classical counterpart, is a regularizing algorithm, and serves as a theoretical basis for creating algorithms of practical solving problems for constrained extremum.
About the authors
Mikhail I. Sumin
Derzhavin Tambov State University; Lobachevskii Nizhnii Novgorod State University
Author for correspondence.
Email: m.sumin@mail.ru
Doctor of Physics and Mathematics, Chief Researcher; Professor
Russian Federation, 33 Internatsionalnaya St., Tambov 392000, Russian Federation; 23 Gagarin Ave., Nizhnii Novgorod 603950, Russian FederationReferences
- В.М. Алексеев, В.М. Тихомиров, С.В. Фомин, Оптимальное управление, Наука, М., 1979; англ. пер.: V.M. Alekseev, V.M. Tikhomirov, S.V. Fomin, Optimal Control, Plenum Press, New York, 1987.
- Ф.П. Васильев, Методы оптимизации: в 2-х кн., МЦНМО, М., 2011. [F.P. Vasil’ev, Optimization methods: in 2 books, MCCME, Moscow, 2011 (In Russian)].
- М.И. Сумин, “Регуляризованная параметрическая теорема Куна-Таккера в гильбертовом пространстве”, Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 51:9 (2011), 1594–1615; англ. пер.: M.I. Sumin, “Regularized parametric Kuhn-Tucker theorem in a Hilbert space”, Comput. Math. Math. Phys., 51:9 (2011), 1489–1509.
- М.И. Сумин, “Регуляризованные принцип Лагранжа и принцип максимума Понтрягина в оптимальном управлении и обратных задачах”, Тр. ИММ УрО РАН, 25, №1, 2019, 279–296. [M.I. Sumin, “Regularized Lagrange principle and Pontryagin maximum principle in optimal control and in inverse problems”, Trudy Inst. Mat. Mekh. UrO RAN, 25 (2019), 279–296 (In Russian)].
- М.И. Сумин, “О некорректных задачах, экстремалях функционала Тихонова и регуляризованных принципах Лагранжа”, Вестник российских университетов. Математика, 27:137 (2022), 58–79. [M.I. Sumin, “On ill-posed problems, extremals of the Tikhonov functional and the regularized Lagrange principles”, Russian Universities Reports. Mathematics, 27:137 (2022), 58–79 (In Russian)].
- А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин, Методы решения некорректных задач, Наука, М., 1974; англ. пер.: A.N. Tikhonov, V.Ya. Arsenin, Solutions of Ill-Posed Problems, Winston; Halsted Press, Washington; New York, 1977.
- А.Н. Тихонов, А.С. Леонов, А.Г. Ягола, Нелинейные некорректные задачи, Наука, М., 1995; англ. пер.: A.N. Tikhonov, A.S. Leonov, A.G. Yagola, Nonlinear Ill-Posed Problems, Taylor and Francis, London, 1998.
- М.И. Сумин, “Регуляризация в линейно-выпуклой задаче математического программирования на основе теории двойственности”, Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 47:4 (2007), 602–625; англ. пер.: M.I. Sumin, “Duality-based regularization in a linear convex mathematical programming problem”, Comput. Math. Math. Phys., 47:4 (2007), 579–600.
- М.И. Сумин, “Регуляризованный двойственный метод решения нелинейной задачи математического программирования”, Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 47:5 (2007), 796–816; англ. пер.: M.I. Sumin, “Duality-based regularization in a linear convex mathematical programming problem”, Comput. Math. Math. Phys., 47:5 (2007), 760–779.
- Е.Г. Гольштейн, Теория двойственности в математическом программировании и ее приложения, Наука, М., 1971. [E.G. Golshtein, Duality Theory in Mathematical Programming and its Applications, Nauka Publ., Moscow, 1971 (In Russian)].
- J. Warga, Optimal Control of Differential and Functional Equations, Academic Press, New York, 1972.
- М.И. Сумин, “Недифференциальные теоремы Куна-Таккера в задачах на условный экстремум и субдифференциалы негладкого анализа”, Вестник российских университетов. Математика, 25:131 (2020), 307–330. [M.I. Sumin, “Nondifferential Kuhn-Tucker theorems in constrained extremum problems via subdifferentials of nonsmooth analysis”, Russian Universities Reports. Mathematics, 25:131 (2020), 307–330 (In Russian)].
- А.В. Канатов, М.И. Сумин, “Секвенциальная устойчивая теорема Куна-Таккера в нелинейном программировании”, Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 53:8 (2013), 1249–1271; англ. пер.: A.V. Kanatov, M.I. Sumin, “Sequential stable Kuhn-Tucker theorem in nonlinear programming”, Comput. Math. Math. Phys., 53:8 (2013), 1078–1098.
- М.И. Сумин, “Устойчивая секвенциальная теорема Куна-Таккера в итерационной форме или регуляризованный алгоритм Удзавы в регулярной задаче нелинейного программирования”, Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 55:6 (2015), 947–977; англ. пер.: M.I. Sumin, “Stable sequential Kuhn-Tucker theorem in iterative form or a regularized Uzawa algorithm in a regular nonlinear programming problem”, Comput. Math. Math. Phys., 55:6 (2015), 935–961.
- P.D. Loewen, Optimal Control via Nonsmooth Analysis. V. 2, CRM Proceedings & Lecture Notes, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 1993.
- F.H. Clarke, Yu.S. Ledyaev, R.J. Stern, P.R. Wolenski, Nonsmooth Analysis and Control theory. V. 178, Graduate texts in mathematics, Springer-Verlag, New York, 1998.
- Д. Бертсекас, Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа, 1-е изд., Радио и связь, М., 1987; англ. ориг.: D.-P. Bertsekas, Constrained Optimization and Lagrange Multiplier Methods, Academic Press, New York-London-Paris-San Diego-San Francisco-Sao Paulo-Sydney-Tokyo-Toronto, 1982.
- Е.Г. Гольштейн, Н.В. Третьяков, Модифицированные функции Лагранжа. Теория и методы оптимизации, Наука, М., 1989. [E.G. Golshtein, N.V. Tret’yakov, Modified Lagrange Functions. Theory and Methods of Optimization, Nauka Publ., Moscow, 1989 (In Russian)].
- М.И. Сумин, “О регуляризации классических условий оптимальности в выпуклых задачах оптимального управления”, Тр. ИММ УрО РАН, 26, №2, 2020, 252–269. [M.I. Sumin, “On the regularization of the classical optimality conditions in convex optimal control problems”, Trudy Inst. Mat. i Mekh. UrO RAN, 26, no. 2, 2020, 252–269 (In Russian)].
- М.И. Сумин, “Метод возмущений, субдифференциалы негладкого анализа и регуляризация правила множителей Лагранжа в нелинейном оптимальном управлении”, Тр. ИММ УрО РАН, 28, №3, 2022, 202–221. [M.I. Sumin, “Perturbation method, subdifferentials of nonsmooth analysis, and regularization of the Lagrange multiplier rule in nonlinear optimal control”, Trudy Inst. Mat. i Mekh. UrO RAN, 28, no. 3, 2022, 202–221 (In Russian)].
- В.А. Треногин, Функциональный анализ, Наука, М., 1980. [V.A. Trenogin, Functional Analysis, Nauka Publ., Moscow, 1980 (In Russian)].
- I. Ekeland, “On the variational principle”, Journal of Mathematical Analysis and Applications, 47:2 (1974), 324–353.
- Ж.-П. Обен, Нелинейный анализ и его экономические приложения, Мир, М., 1988; франц. ориг.: J.-P. Aubin, L’analyse non Lineaire et ses Motivations Economiques, Masson, Paris-New York, 1984.
Supplementary files
