Реферат: Метод последовательных уступок Теория принятия решений

ПЛАН

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы принятиянаилучших (оптимальных) решений стали в настоящее время весьма актуаль­ными,особенно в экономике, технике,военном деле и других областях человеческой деятельности.

Задачи отысканиянаилучших (илихотя бы удовлетворительных) путей достижения поставленных целей являются основными в новом разделе нау­ки— исследовании операций, — который тесно свя­зан с различными математическими дисциплинами, в том числе теорией игр,математическим программированием и теориейоптимальных процессов, теорией вероятностей и многими другими.

СУТЬ МЕТОД А ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ УСТУПОК

Процедура решения многокритериальной задачи методом последовательных уступок заключается в том, что все частные критерии располагают и нумеруют в порядке их относительной важности; максимизируют первый, наиболее важный критерий; затем назначают величину допустимого снижения значения этого критерия и максимизируют второй по важности частный критерий при условии, что значение первого критерия не должно отличаться от максимального более чем на величину установленного снижения (уступки); снова назначают величину уступки, но уже по второму критерию и находят максимум третьего по важности критерия при условии, чтобы значения первых двух критериев не отличались от ранее найденных максимальных значений больше чем на величины соответствующих уступок; далее подобным же образом поочередно используются все остальные частные критерии; оптимальной обычно считают любую стратегию, которая получена при решении задачи отыскания условного максимума последнего по важности критерия.

Таким образом, при использовании метода последовательных уступок многокритериальная задача сводится к поочередной максимизации частных критериев и выбору величин уступок. Величины уступок характеризуют отклонение приоритета од них частных критериев перед другими от лексикографического: чем уступки меньше, тем приоритет жестче.

ПОРЯДОК РЕШЕНИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ УСТУПОК

При решении многокритериальной задачи мето­дом последовательных уступок вначале производит­ся качественный анализ относительной важности частных критериев; на основании такого анализа критерии располагаются и нумеруются в порядке убывания важности, так что главным является критерий K₁ , менее важен. K₂ , затем следуют остальные частные критерии К₃ , К₄ ..., K_S . Максимизируется первый по важности критерий K₁ и определяется его наибольшее значение Q₁ . Затем назначается величина «допустимого» снижения (уступки) D₁ >0 критерия K₁ и ищется наибольшее значение Q₂ второго критерия K₂ при условии, что значение первого критерия должно быть не меньше, чем Q₁ —D₁ . Снова назначается величина уступки D₂ >0, но уже по второму критерию, которая вместе с пер­вой используется при нахождении условного макси­мума третьего критерия, и т. д. Наконец, максими­зируется последний по важности критерий Ks при условии, что значение каждого критерия К_r из S—1 предыдущих должно быть не меньше соответствую­щей величины Q_r —D_r ; получаемые в итоге страте­гии считаются оптимальными.

Таким образом, оптимальной считается всякая стратегия, являющаяся решением последней задачи из следующей последовательности задач:

1) найти Q₁ =

………………………………..

3) найти Q_S =

Если критерий K_S на множестве стратегий, удов­летворяющих ограничениям задачи S), не достигает своего наибольшего значения Q_s , то решением мно­гокритериальной задачи считают максимизирую­щую последовательность стратегий {u^k } из указан­ного множества (lim K_S (u^k ) = Q_S ).

k->¥

Практически подобные максимизирующие после­довательности имеет смысл рассматривать и для то­го случая, когда верхняя грань в задаче S) дости­гается, так как для решения экстремальных задач широко применяются итеративные методы.

Величины уступок, назначенные для много­критериальной задачи, можно рассматривать как своеобразную меру отклонения приоритета (степени относительной важности) частных критериев от жесткого, лексикографического.

Величины уступок D_r последовательно назнача­ются в результате изучения взаимосвязи частных критериев.

Вначале решается вопрос о назначении величи­ны допустимого снижения D_r первого критерия от его наибольшего значения Q₁ . Практически для это­го задают несколько величин уступок D¹ ₁ , D² ₁ , D³ ₁ … и путем решения 2) в задаче (1) определяют соответствующие макс. значения Q₂ (D¹ ₁ ), Q₂ (D² ₁ ), Q₂ (D³ ₁ ), и второго критерия. Иногда, если это не слишком сложно, отыскивается функция Q₂ (D₁ ). Результаты расчетов для наглядности Представляем графически (Рис 1)

Он показывает, что вначале даже небольшие величины уступок позволяют получить существенный выигрыш по вто­рому критерию; с дальнейшим увеличением уступки выигрыш растет все медленнее. На основе анализа полученных данных и решают вопрос о назначении величины уступки D₁ , а затем находят Q₂ (D₁ ).

Далее рассматривают пару критериев K₂ и K₃ вновь назначают «пробные» величины уступок Q₂ (D² ₂ ), , ... и, решая 3) в задаче (1), отыскивают наибольшие значения третьего критерия Q₃ (D¹ ₂ ), Q₃ (D² ₂ ),... Полученные данные анализируют, назначают D₂ , переходят к следующей паре критери­ев К₃ , K₄ и т. д.

Наконец, в результате анализа взаимного влия­ния критериев K_S-1 и K_S выбирают величину по­следней уступки D_S-1 и отыскивают оптимальные стратегии, решая S) в задаче 1 (обычно ограничива­ются нахождением одной такой стратегии).

Таким образом, хотя формально при использо­вании метода последовательных уступок достаточно решить лишь S задач (1),однако для назначе­ния величин уступок с целью выяснения взаимосвя­зи частных критериев фактически приходится ре­шать существенно большее число подобных задач.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ УСТУПОК

Во введении при изучении отношения предпоч­тения ³, порождаемого векторным критерием, бы­ло выяснено, что в качестве оптимальных вообще могут выступать лишь эффективные стратегии. По­этому возникают естественные вопросы: всегда ли использование метода последовательных уступок приводит к получению эффективных стратегий, а если не всегда — то в каких случаях (при выпол­нении каких условий) можно гарантировать полу­чение лишь эффективных стратегий?

Оказывается, что метод последовательных усту­пок не всегда приводит к выделению лишь эффек­тивных стратегий, т. е. решениями S) из задачи (1) могут быть и неэффективные стратегии. Это легко подтвердить простым примером.

Пример 1. Пусть множество U Ì R³ — многогранник, изображенный на рис.2 , K₁ (u)=u1, K₂ (u)=u_2, K₃ (u)=u₃ . Здесь решением 3 из задачи (1) является любая точка треугольника ABC (на рисунке он заштрихован), но эффек­тивны лишь точки отрезка АС.

Справедливо, однако, утверждение: если u* — единственная (с точностью до эквивалентности) стратегия, являющаяся решением S) из задачи (1), то она эффективна.

Действительно, предположим, что стратегия u* неэффективна, так что существует стратегия u'>u*. Но стратегия u' также удовлетворяет всем огра­ничениям S) задачи (1) и доставляет кри­терию K_S значение Q_s ; иначе говоря, u' оказыва­ется решением этой зада­чи, что противоречит ус­ловию единственности u*. Утверждение доказано.

Рис 2

Можно доказать так­ же, что если UÌRⁿ за­мкнуто и ограничено, К_r непрерывны на U, а стратегия, являющаяся реше­нием S) задачи (1), единственна с точностью до эквивалентности, то любая максимизирующая последовательность, служащая решением S), эффективна.

Пример 2. Пусть U Ì Rⁿ — выпуклое множество,

а все К_r квазивогнуты. При этих условиях множество стратегий, удовлетворяющих ограничениям r) задачи (1), также выпукло (r=1,2, ..., S), так что каждая из задач 1), 2),..., S) является задачей квазивогнутого программирования. Если Ks строго квазивогнут, то решением задачи S) может служить лишь единственная и потому эффективная стратегия; если же |при этом U замкнуто и ограничено, а все К_r непрерывны на U, то любая максимизирующая последовательность, являющаяся решением S), эффективна.

Пример 3. Предположим, что из многогранника U задачи, описанной в примере 1, удалена вся грань А'В'С', но оставлена точка В. Теперь эта точка оказывается единственным решением 3) задачи (1). Здесь точка В, конечно, эффективна. Любая сходящаяся к ней последовательность внутренних точек многогранника, удовлетворяющих ограниче­ниям задачи 3), будет максимизирую щей для Ks, но не будет эффективной. Указанное положение — следствие не замкнутости рассматриваемого в данном примере множества U.

В связи с тем, что не всегда стратегия, получен­ная с помощью метода последовательных уступок, является эффективной, возникает и такой вопрос: обязательно ли среди множества стратегий, выде­ляемых этим методом, существует хотя бы одна эффективная?

В общем случае на этот вопрос положительный ответ дать нельзя, однако имеет место такое утверждение: если UÌRⁿ — множество замкнутое и ограниченное, а все К_r непрерывны, то решением S) задачи (1) служит по крайней мере одна эффективная стратегия.

Действительно, при выполнении условий этого утверждения множество U^s стратегий-решений S) оказывается непустым, замкнутым и огра­ниченным. Следовательно, существует точка u*ÎU^S , в которой функция достигает наибольшего на U^s значения. Нетрудно убедиться в том, что u* эффективна.

Таким образом, при решении почти всякой при­кладной многокритериальной задачи метод последо­вательных уступок выделяет в качестве оптималь­ных и эффективные стратегии. Однако необходимо отметить, что выделенные эффективные стратегии не обязаны быть эквивалентными (см. пример 1); но нетрудно проверить, что это возможно лишь при S³3.

Если нельзя гарантировать, что при решении рассматриваемой многокритериальной задачи метод последовательных уступок приводит к получению лишь эффективных стратегий (в частности, если по выполняется вышеприведенное условие единст­венности), то для выделения эффективной страте­гии среди решений задачи S) достаточно, как пока­зывает только что проведенное доказательство,

найти (2)

Однако практически более удобно применять такой прием : заменить в S) критерий K_s на ,

где À — положительное число;

в результате получится задача:

(3)

Нетрудно доказать, что любая стратегия, являющаяся решением задачи (3), эффективна; более того, всякая максимизирующая последовательность, служащая решением этой задачи, также эффективна.

Смысл указанного приема заключается в том, что при достаточно малом числе À>0 для любой полученной в результате решения задачи (3) стратегии w значение критерия K_S (w) будет весьма близким к Q_s ^*) и эта стратегия эффективна, в то время как при решении S) задачи (1) может быть получена стратегия и, которую выгодно заме­нить некоторой эффективной стратегией v>u, су­щественно лучшей, чем и, но одному или даже не­скольким частным критериям. А поскольку величи­ны уступок А, на практике устанавливаются при­ближенно, то замена Ks на K*_s при малых À>0 в силу указанной причины оказывается допустимой и оправданной.

Таким образом, понятие эффективной стратегии позволило уточнить вычислительную процедуру отыскания оптимальных стратегий методом после­довательных уступок.

С другой стороны, метод последовательных уступок позволяет указать характеристическое свойство эффективных стратегий.

Теорема 1.

Для любой эффективной стратегии u* существуют такие числа D^* _r , что эту стратегию можно выделить методом последовательных уступок, т. е.
при D_r= D^* _r , r=1, 2,...,S—1, стратегия u* являет­ся единственным (с точностью до эквивалентности) решением S) задачи (1).

Теорема 1 характеризует эффективные стра­тегии с помощью последовательности задач (1). В частности, она показывает, что метод последова­тельных уступок можно использовать для построе­ния множества эффективных стратегий.

Более того, теорема 1 позволяет исследовать и сам метод последовательных уступок. Действи­тельно, она показывает, что при любом фиксирован­ном расположении частных критериев, по степени относительной важности одним лишь выбором ве­личин уступок можно обеспечить выделение любой эффективной стратегии в качестве оптимальной (так что проблема отыскания оптимальной страте­гии, т. е. проблема выбора эффективной стратегии из всего множества U°, формально эквивалентна проблеме назначения надлежащих величин уступок при произвольном фиксированном упорядочении критериев).

Следовательно, для решения многокритериаль­ной задачи нужно так ранжировать критерии, чтобы потом удобнее было выбирать величины уступок. Учитывая вышеизложенное и внимательно рассмо­трев порядок назначения величин уступок, можно сделать следующий вывод: метод последовательных уступок целесообразно применять для решения тех многокритериальных задач, в которых все частные критерии естествен­ным образом упорядочены по степени важности, причем каждый критерий настолько существенно более важен, чем последующий, что можно ограни­читься учетом только попарной связи критериев и выбирать величину допустимого снижения очеред­ного критерия с учетом поведения лишь одного сле­дующего критерия.

Особенно удобным является случай, когда уже в результате предварительного анализа многокритериальной задачи выясняется, что можно допустить уступки лишь в пределах «инженерной» точности (6—10% от наибольшей величины критерия).

Решение многокритериальной задачи методом последовательных уступок — процедура довольно трудоемкая, даже если заранее выбраны величины всех уступок. Поэтому большой интерес представляет вопрос: можно ли при заданных D_i получить оптимальную стратегию за один этап, сведя после­довательность задач (1) к одной экстремальной задаче?

Мы можем указать лишь приближенный способ одноэтапного решения для S=2. Он основан на следующем утверждении:

Лемма 1.

Пусть множество UÌR^p замкнуто и ограничено, K₁ и К₂ непрерывны на U, D₁ ³0 и À£D₁ /M¹ ₂ , где

(4)

Тогда для любой стратегии u*, доставляющей функции L=K₁ +ÀК₂ наибольшее на U значение, справедливо неравенство Q₁ -K₁ (u*)£D₁ причем если K₁ (u*)£ Q₁ , то

Эта лемма, показывает, что если решить задачу максимизации на U функции L=K₁ +ÀК₂ , в кото­рой число À назначено указанным образом, то для полученной стратегии u* (она обязательно эффек­тивна) значение K₁ (u*) будет отличаться от максимального Q₁ не более, чем на D₁ , a K₂ (u*) будет тем ближе к Q₂ , чем точнее назначена оценка М¹ ₂ .

Однако даже если взять число М¹ ₂ , удовлетворяю­щее (4) как равенству, и положить À = D₁ /M¹ ₂ , то все равно нельзя гарантировать, что K₂ (u*)=Q₂ ,так что рассматриваемый способ действительно является приближенным.

Пример 4. Пусть U — четверть единичного круга, ле­жащая в положительном квадранте: U={u: uÎR₂ , u² ₁ +u² ₂ £1, u₁ ³0, u₂ ³0} K₁ (u)=u₁ , K₂ (u)=u₂ . Здесь Q₁ = l и М¹ ₂ =1, если исходить из (4) как равенства. Примем D₁ =0,2; À=0,2.

Функция u₁ + 0,2u₂ достигает максимума на Uв единственной точке так что , однако

Пример 5. U={u: uÎR_{2 ,} 0£u₂ £1, (1+d)u₂ £1-u₁ } где d — положительное число, K₁ (u)=u₁ , K₂ (u)=u₂ . Исполь­зуя (4) как равенство, находим: М¹ ₂ = 1. Положим D₁ =1; À=1. Функция u₁ +u₂ достигает на Uмаксимума в един­ственной точке (1, 0). Возьмем теперь ; À=1 + e. где e— любое сколь угодно малое положительное число. Тогда при d<e функция u₁ +(1+e)u₂ будет достигать максимума на U вточ­ке (-d, 1), так

что Q₁ -K₁ (-d,1) = 1+d >D₁ =1.

Примечание. Для решения многокритериальных задач иногда применяют метод выделения основного частного кри­терия. Этот метод состоит в том, что исходная многокритери­альная задача сводится к задаче оптимизации по одному частному критерию К_L ,который объявляется основным, или главным, при условии, что значения остальных частных кри­териев К_r должны быть не меньше некоторых установленных величин («требуемых» значений) b_r ,т. е. к задаче

найти (5)

причем оптимальной считается обычно всякая стратегия, яв­ляющаяся решением задачи (5).

Выделение критерия K_t в качестве основного и назна­чение пороговых величин b_r , для остальных частных критериев фактически означает, что все стратегии разбиваются на два класса. К одному относятся стратегии, которые удовлетворяют всем S—1 ограничениям K_r (u)³b_r ;такие стратегии можно назвать допустимыми. К другому классу относятся такие стратегии, которые не удовлетворяют хотя бы одному из указаных S—1 неравенств. Наконец, среди допустимых стратегий предпочтительнее считается та, для которой значение Критерия K_l больше.

Необходимо отметить, что установившееся название — «ос­новной», или «главный» критерий — по существу весьма условно. Действительно, критерий K_l максимизируется на множестве лишь допустимых стратегий; иначе говоря, если для стратегии u значение некоторого «второстепенного» частного критерия K_r оказывается хоть немного меньше, чем b_r , то она уже не может «претендовать» на роль оптимальной, сколь бы большим ни было для нее значение основного критерия. Сравнение (5) и (1) показывает, что метод после­довательных уступок формально можно рассматривать как особую разновидность метода выделения основного частного критерия, отличающуюся наличием специфической процедуры назначения величин ограничений для задачи максимизации K_S (это обстоятельство фактически уже использовалось при доказательстве теоремы 1).

Поэтому все полученные выше результаты, связанные с вопросами выделения эффективных стратегий методом последовательных уступок, переносятся и на рассматриваемый метод. В частности, этот метод выделяет лишь эффективные стратегии, когда решение задачи (5) единственно с точностью до эквивалентности; если же справедливость указанного условия единственности не установлена, то целесообразно в (5) заменить K_l на

, где À>0 – достаточно малое число.

Выбор конкретной эффективной стратегии из множества U⁰ формаль­но эквивалентен назначению надлежащих величин b_r , причем в качестве основного можно выбрать любой частный крите­рий.

Это означает, с одной стороны, что рассматриваемый метод универсален в том смысле, что он позволяет для каждой ммногокритериальной задачи выделить в качестве наилучшей любую эффективную стратегию.

Это же означает, с другой стороны, что вопросы о выборе одного из частных критериев в качестве основного и назначении минимально допустимых величин b_r для остальных критериев нужно решать совместно, ибо какой бы частный критерий ни был выбран основным, только лишь назначением величин ограничений на остальные критерии можно обеспе­чить получение в качестве оптимальной любой (намеченной) эффективной стратегии.

Таким образом, предварительное выделение одного из ча­стных критериев основным еще никак не уменьшает свободы выбора эффективной стратегии (так что название «основной», или «главный» критерий действительно весьма условно). Сле­довательно, при качественном анализе конкретной многокри­териальной задачи вопрос о выделении одного из частных критериев в качестве основного следует решить так, чтобы облегчить назначение величин ограничений на остальные частные критерии.

Практически назначается серия «наборов» {b_r } пороговых значений и для каждого «набора» отыскивается соответствую­щее наибольшее значение основного критерия (при этом сле­дует учитывать данные выше рекомендации, относящиеся к обеспечению (получения лишь эффективных стратегий, а так­же иметь в виду, что при произвольно назначенных числах b_r может случиться, что задача (5) вообще не имеет смыс­ла, так как ни одна стратегия не удовлетворяет входящим в нее ограничениям).

Далее на основании анализа полученной серии значений всех частных критериев (т. е. серии значений векторного кри­терия) производится окончательное назначение величин огра­ничений, чем определяется и выбор стратегии, которая и бу­дет считаться оптимальной.

Рассмотрение указанной процедуры назначения величин ограничений показывает, что расчет серии значений всех частных критериев фактически имеет целью получение представления о множестве эффективных стратегий (или некоторо­го его подмножества) с помощью ряда отдельных точек, а за­тем эта информация служит для окончательного выбора стра­тегии (производимого на основании интуиции, «здравого смыс­ла» и т. п.).

Следовательно, метод выделения основного частного критерия стоит применять лишь в том случае, когда имеются соображения о примерных значениях величин b_r , (или о до­вольно узких пределах этих значений), позволяющие огра­ничиться рассмотрением сравнительно небольшой части всего множества эффективных стратегий.

Список использованной литературы.

1) Подиновский В.В. , Гаврилов В. М. Оптимизация по последовательно применяемым критериям. М., «Сов. радио», 1975, 192 стр.