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田中謙一郎

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(1)

2次計画法におけるウオルフ法とビール法

2次計画法における

ウォルフ法とビール法

田中謙一郎

1

目    次 はじめに

序 論 2次計画法問題の定式化とその実例 第1節  ウオルフの方法

1.1. 手  順

1.2. アルゴリズムの収束 1.3. 数値例

第2節  ビールの方法

2..1.手順とアルゴリズムの収束 2.2. 数値例

補 論 ビールの方法のプログラムによる出力結果 むすび

は じ め に

2次計画法(quadraticprogramming;QPと略記する)は,数理計画法 の一分野として,非線形計画法(nonlinear programming;NPと略記す る)の1つに分類される。2次計画法は,1次制約式のもとで,2次の目的 関数を最適化する問題を扱うので,NPの一領域である。

ところで,QPが,NPの中にあって,なぜとくに2次計画法と別記さ れるか,といえば,それには2つの理由が,考えられる。

第1に,NPでは,線形計画法(1inearprogramming;LP と略記す る)に比べて,一般的解法が未発達で,特殊形式問題の研究が先行してい る,という点が指摘される。確かに,一般的非線形解法アルゴリズムとして

(2)

の傾斜法その他が,有効な局面もあるであろうo しかし,それらが, P シンプレックス法と比較した際,いかに貧弱な道具であるかは,余人の言を 待たない。乙れに比して, Pとか,線形分数計画法といった特殊計画法 は,演算処理がLPI乙近く,多数の実用的アルゴリズムが生み出されてき た。とくに, ウォノレフの方法やビールの方、法は, コンビュータ言語へのコー ド化も容易であるD ともかく Q Pは,操作性の点で,他の N Pよりも格段に すぐれているo

2IQ Pは,他の N P問題と異なり,確立された固有の応用例を有して いるD 投資決定論のー領域である資産選択問題は,その一例である。すなわ ち,所与の期待収益のもとで,危険を最小化する有価証券の組を見出す乙と Q P問題を形成するのであるO この議論を最初に体系づけたマーコビッ ツは,その解法アノレゴリズムとして, rクリテイカノレ・ライン法」を開発し 1)。乙のシンプレックス法の改訂版は,資産選択問題では,なじみ深いも のである。しかし,一般的なQ P問題に対するアルゴリズムはないため,本 稿の議論からは,除外されるD

本稿の議論の対象となるのは,一般的Q Pアルゴリズムのうち,最も代表 的なウオノレフの方法とビーノレの方法である。乙れらは, ウオノレフ (8), 

ビーノレ (1)によって,それぞれ展開された口乙のうち, ウオj (8) は,パラメトリック 2次計画法という分野を開発した点でも評価されるo かし,その詳細な議論は,別の機会lζ 譲りたい。

本稿の議論の展開は,以下の順序で行なわれるD まず,序論において,一 般的Q P問題の定式化が,試みられるD また,その実例として,資源配分問 題が,例解されるO 次に,第l節「ウォノレフの方法」および第2節「ビーノレ の方法Jで,アルゴリズムの子順,収束,数値例が詳説される。ウォノレフの 方法とビールの方法によれば,すべての演算が, LPのシンプレックス法に より遂行される。われわれは,第l節で改訂シンプレックス法を,第2節で タブロー形式のシンプレックス法を用いる乙ととするo これは,同規枝の (たとえば n変数m詰Ij約式の)P問題に対し,ウォJレフの方法が, ビー ノレの方法の約2倍の行と列を必要とするためである。また,数値例における

(3)

2次計画法におけるウォJレフ法とビール法

イタレーションの説明では,最初の手続きは入念に記したが,先l乙進むにし ウォルフの方法と ビーノレの方法の諸特徴を比較検討する。その際,本稿で扱わなかった,他の

「むすび」で,

たがって簡便な表記法をとった。最後に,

QPアノレゴリズムについても言及する乙ととするD

(注)

Markowitz, H. The Optimization of  a Quadratic  Function  Subject  to Linear  Constraints"  Naval Research Logistics  Quarter1y, Vo1.  3,  1956を参照せよ。

2次計画法問題の定式化とその実例

序論

以下の一般形で表示される。

:E  :Eω j X

= 1 K =  

QP問題は,

Max z 2:  CjXj

rn) 

sub.  to.  2: aljxj=b

(1) 

cl1) cl・2)

︑ ︑ ︐ ノ

 

Xj~三 O and 

あらゆる形 乙乙で, a1h bC j CJkは,任意の実数とするo 定式化(1)

制約方程式系

. ︐  

明らかであるD

式のQP問題を含んでいることは,

もしくは不定である可能性は,排除されてい 式が不鵠,

cl・1)において,

る乙ととするo

より簡潔に表わされる。すなわち,

QP問題(1)は,行列表示を用いると,

Max z = CTX+XTOX  Ax=b  sub.  to. 

(2) 

x~三O.

and 

ArnXn ともに列ベクト }¥.I

ここで, xcn次元, bm次元の,

ベクトル(行列)の右肩についた 以下のように定義されている。

Dはn'xn対称行列とする。また,

Tは,転直記号である。 Dの成分は,

行列,

(4)

i,…,  n) 

(djj=CJJ 

dJ= dkJ cJk/2  (j+k; j, k=l,…,  n) . 

QP問題の代表的な実例として,資源配分問題,資産選択問題,混合物 の平衡配列決定問題(化学平衡) ,回帰分析, トラスの弾性・塑性分析 (elastic‑plastic analysis of  trusses;構造力学)等が,あげられる。本稿 では,このうち最初の問題について,単純な実例をあげる乙ととするo

まず,以下のような数値例によって,考えを進めてみようo

Maxz=8x+6x2+4xa ‑2X12̲X32̲2xIX2‑2xIXa  sub.  to.  Xl++2xa3

and  XlX2Xa '"o.

目的関数は,以下のように書き直される。

=x1(8‑2x1‑ X2‑ X3+ x2(6‑2x2 ‑X1+Xa4‑x‑X1). 

乙乙で,ぬ (i=123)は,独占者によって生産された3つの商品の数量,

括弧の中の式は,独占者が各商品に課する乙とのできる価格と考えられるo

括弧の中の式を,各々 PI ( 1, 2, )で表わすと,以下のように表記さ れる。

(P=8 2x,‑ x. ‑ x  P x1 ‑ 2x3  P x1 ‑ .ra

これらの式は,価格P1を数量二日の関数として表わす,線形の需要関数とな っているoz=ex+Dxとすれば,価格ベクトノレP Dx, pT 

と表わされる。また,制約式は,稀少資源が産出高を制限している, こと を意味しているo すなわち,商品xh X2 • x3の各1単 位 は , そ れ ぞ れ 稀 少資源をし 2単位要求するが,稀少資源の全供給は 3単位である,

という状況を記述しているD さらに,各Xlの非負性は,独占者が売り手で あって,買い手とはみなされない,ことを志味している。すなわち,上の数 値例は,独占者が,線形需要関数と,稀少資源によって制限された産出高,

に直面した際,彼の総収入を最大化しようとしている状況を記述している,

(5)

2次計画法におけるウォルフ法とビール法 と解されるロもちろん,Xlを個々の商品ではなくて,いくつかの商品を合 む工程 (process)もしくは活動 (activity)と考える乙とは,何らさしっか えない。

l ウォルフの方法 1.  1 . 手 順

ウオノレフの方法は,以下の形式のQ P問題に直接,適用されうるD

Max z CTX xTDx  (2)  (  sub. to.  Ax=b 

and  xo. 

(21) (22) ここで, xおよび、cn成分, b m成分の, ともに列ベクトノレ, AはmXn 行列, Dnxn対称行列とする。ウォJレフのアJレゴリズムを導く基本原理 は,修正シンプレックス軸変換手続きを用いて,実行可能点の点列が,キュ ーン=タッカ一条件(以下K ‑ T条 件 と 略 記 す る ) を 満 足 す る 解 の 点 げ で 終了するように導く,ことである。 (2)の実行可能領域は,超平面によって,

有界であるので,凸集合であるo よって,目的関数が凹ならば,点げは,

必然的に最適解となる。乙れは,凸計画法問題に対する, K‑T条件から導 くことができる。

Dが負値のときは,ウォJレフの方法によれば,有限回の反復手続きによっ て,最適解へ収束するか,または,当該Q P問題が,実行可能でない,こと を証明することが,できる。ただし退化による無限循環の可能性は,排除さ れているものとするoDが半負値のときは,負値になるように摂動する1) とによって,最適解への有限収束が,保証aされるoDが,不定値もしくは (半)正値のときは,収束はしない。よって,以下の議論においては, が,負債もしくは半負値であることを前提する,こととする。

これより,ウォノレフの方法の手続きに関する,議論を始めることとする口 まず, Q P問題(2)K‑T条件を記述する。制約式が 1次であるので,制 約必定は,満足される。よって,日が(2)の最適解であるならば,

(6)

(4)  c+2Dx*~ATλ

(5)χ*[c+2Dx*‑ATλ]

を満足する, 一般化されたラグランジュ乗数ベクトノレλ三[入),…,λmJT 存在する。

不等式(4)に対して,スラック変数ベクトノレ (6)  v ATλ ‑c‑2Dx

が,定義されるoそこで, K ‑ T条件(4)および(5) (7)  2Dx‑ATλv=‑c

(8)  vO

(9)  xTv= 

となるo 乙こで, (9)を 除 い た K ‑ T条件 (7), (8)お よ び 原 制 約 式 (21) (22) x, v.λを変数とする 1次 制 約 式 の み か ら 成 り 立 っ て い るo

まさに,乙の乙とが. Q Pのアルゴリズムであるウォノレフの方法に, L P シンプレックス法が導入される,根拠である。 (9)は,非線形の制約式である けれども,これをそのつど別個に吟味していくことは,困難ではない。

改訂シンプレックス法をQ P問題(2)に 適 用 す る 前 に , 制 約 式(7)(8),  (21),(22)を標準形2)に変形せねばならない。乙れは, λを符号条件の1 つかない変数から非負変数に変換する,乙とを意味する。すなわち,

( I

λ=λ'一入Oi;λIAO;;o. 

ζ, iは , 全 成 分 が 1と な るm成分列ベクトノレであるo(10)を (7)に 代 入 し,プライムをとると,以下の方程式系が,えられる口

A=b (111)

2Dx‑ATA+ATjO+v=‑c  (112)

(11)  ¥ 

xλλOvO (113)

xTv= 0 .  (114)

最終的には, (11)の実行可能解が,えられるか, もしくは実行可能解が,存在 しないか,のいずれかに到達するo ところが. (11)の実行可能解が,存在する ならば,

(7)

2次計画法におけるウォJレフ法とビーJ Ax=b  (

12)  ( 2Dx‑Aλ +ATjλo+v= ‑c T xλ^ov;O

の基底可能解も存在するD

/ ¥ / ¥ / ¥ / ¥  

その理由は,以下のとおりである。まず, [xλ, ^'o, VJ (11)を満足 していると仮定する。そのとき,

/¥  /¥  /¥  =min{入。,入。,…,入m}

とおくと,以下の解も(11)を満足する3)

χ │  

λ  λ/ヘーー〉ー  i .¥ (

13)  / ¥  

入。一入

/ ¥  

) v 

.7の定義により,変数入。,^'1'…,入mのうち,高々m個のものは,ゼロ /¥  ノ

でない値をとるo ところが.(9)により Xλの成分のうち高々 n個のもの は,ゼロでない値をとる。よって,実行可能解(13)は,高々m+n個の非ゼロ 成分をもっ乙ととなるo(12)は.m +  n個 の 制 約 式 を 合 む の で , 基 底 可 能 解 が,存在することとなる心。

これまでの議論により,以下の結論に到達するo (12)の基底可能解の中か ら,条件(9)を満足するものを選び出すことによって.(11)の実行可能解が,え られる。ところが. Q P問題(2)に対しては. Dの(半)負値が,前提されて いた。よって.(11)~乙含まれる K-T 条件の十分性から,この実行可能解が,

Q P問題(2)の最適解となるわけである口以上が,次のステップによって進行 する,ウォlレフの方法の基本方針であるo

通常のシンプレックス手続きを用いて. (2・1)の基底可能解Xs 決定するoXsが 存 在 し な い な ら ば,P問題(2)は , 実 行 可 能 解 を も た な い。いま Bを.Bxs=bなる.Xsm X m基底行列とする。そのとき,

Dから BをつくるAの列の番号と同じ番号をもっ列を選び出して nxm

(8)

行列DBをつくることとするo

ii)  n成分列ベクトノレピ=ー [c+2DBxBJを計算し, .djUj= U /, (12) m+j番めの制約式に加えるoただし,

(u/0のとき jn)  (14)  J= ( 

‑ 1   (u/<Oのとき 1n)  その場合,制約式(12)は,以下のように変形される。

Ax=b  (15)  / 2Dx‑AT.<+ATj+v+.4u=‑c 

xλAoVU;;;o. 

ただし, u=[u1  UnJTであり,またdは,第j番めの対角宗宗がJjであ る,Xn対角行列であるo

iii)  変数xは,第i)ステップで計算された値を保ち,残りの変数には,

以下の初期値が,与えられるo

λ=0, Ao= 0, v=O, ujo(j = 1,…,  n). 

これらの変数のうち,高々m+n個のもの(すなわち, xBU)が,正の 値をもつことができるo それらは, m+n個の制約式(15)の実行可能解となっ ているOしかも [XBTuTrは,それと関連のある基底行列

[2:.   ]:

が,逆行列

[B  OJ 

‑2.4DBBl  .4 

をもつので,基底可能解である。

iv)  iii)ステップでつくった初期基底可能解から出発し,条件(9)を加 味しながら,シンプレックス法を用いて,制約式(15)のもとで,人為変数 Uj

1,…,  n)の和を最小化するo最後に,負のリデュースト・コスト をもっ,どの変数も,条件(9)を破ることなくしては,基底の軸になれないと

(9)

2次計画法におけるウオノレフ法とビーノレ法i き,このイタレーションは,終了する。そして,その時点での,解のχ成 分 , Q P問題(2)の最適解である,と考えられるD

1. 2.  アノレゴリズムの収束

本節では,議論を,実行可能な Q P問題に限定する。証明の目的は, Dが 負値のときはつねに,ウォノレフの方法によって, K‑T条件を満足する実行 可能点に到達できる,乙とを示すことにある。しかし,その前にまず,その ような点が存在することを,証明しなければならない口それには, Dが負値 のときは, P問題(2)が,非有界最大値をもたない,乙とを示しさえすれば よい。そのとき,ある有限実行可能点は,全域的最大値(よって,制約下で の局所的最大値)となるので,その点においては, K ‑ T条件が満足され

るからである。

そこで, xの,定点x。から特定方向t;(0でない)への変位が, 目的値Z におよぼす影響について考察する,こととする。その場合, xは,以下のよ うに表わされるO

=xo+ O t; (0 :非負のスカラー)

ただし,方向ベクトノレsは,端点x。から発している,実行可能領域の端半 白線を表わす,乙ととするo その場合,任意の点xでの目的値は, 。の関数 として表わされるO すなわち,

z( 0) =CTXo+oet;+XoTDxo+20xoTDt;+OZ;tTDt;. 

ここで,t;Oであったので 2次形式;tTDt;は,負値である。よって, が増加するにつれて ,OZ;tTDt;の項は, c, D, xO, t;の位に関係なく Z( 0)  を減少させるo すなわち Zが無限大に発散することはない, と結論する ことができる口

目下のところ, Dが負位のとき, (11)の実行可能解が,少なくとも 1つ存在 することが,確かめられているO そこで,1.1.節のけから iv)で示され た,ステップにより, (11)の実行可能解が求まる, こ と を 証 明 す る 。 そ れ に iv)で求めた最終解において,人為変数 UJ(j ,…,  n)が,すべ てゼロになる,ことを示せばよい。

かくして,ウォノレフの方法により,ステップ iv)で 求 め た 最 終 解 に 到 達

(10)

した,と仮定し,その解をWで表わす,乙ととするo そのとき,変数ベクト Xは,以下のように分割される。

X(Xj>O ; Vj= 0 ; XjVjEW; j =1n)  (

1 6) Xj E ( X? (x0 ; j> 0 ; Xj W ;  n)  Xa (Xj= 0 ; Vj= 0 ; XjVjEW; j =1).  XjExのとき, vは,上と同じ方法で分割されるoすなわち,

v(XjEX1)  =1n)  (

1) 7 VjE ( v(XjEX2)  (j =1n)  va (XjEx3)  =1n) 

そのとき, X2およびX3v1お よ びvaの値は,全成分が,ゼロである。ま た,解Wが,以下のLP問 題 の 最 適 解 に な る 乙 と は , 容 易 に 確 か め ら れ

o

Maxz'=‑ ~

= 1 

sub.  to.  Ax=b  (181) (

18)  ~

2Dx‑Aλ +ATjT +v+du=‑c  (182)

X2=V1=O  (183)

and  xλvuo.  (184) 証明の次の段階は, P問題(18)の双対問題を記述することから始める。し かしながら,その前に,定式化(18)1乙対し,若干の変更を加えるとととする。

まず,変換(10)を逆転するo すなわち,入。を問題から排除し, λを符号条件 の な い 変 数 と し て , 扱 う こ と と す るo 次に, x =  [x X2T,xaTJTおよび v=[vλvV3TJとなるように, xとvの 成 分 を 並 べ か え , そ れ に 対 応 し AとDの列も,順序を入れ換えて,分割するoすなわち,

A = [A1:A2:A3J, D=[D1:D2:D3J. 

よって, (18)の制約式は,以下のように変形される。

(11)

2次計画法におけるウオルフ法とビーJ A1xAZX2 + A3X

2D1x+2DzX2+2D3X3‑ATλ+v+du=‑c  χ2=V1=Q  Xlt  XZ'  X3, V, u;Q.

=b 

11  (181') (182') (183') (184') 次に, (181')から(184')までの制約式からhv1を 消 去 し ,X

vの分割に一致するように, (182')を分割するo最終的に, P(1 は,以下のように変形される。

M

axzピ 一' 2: u

sub. to.  A1x1+ Aax =b  (191) (

1)  ( 9 2D1 +2DI山 一A1Tλ +du1 ‑C1  (192) 2D21X+2Dz3X‑AZTλ十円+duz=‑c2  (193) 2D31X+2D33X‑A3λ +v3+du3= ‑c3 T (194)

XI>  X3, Vz, v3, UQ. (195) ただし, D1, D3, dの行およびc成分の分割は, Xvの分割に一致してい

D 最後に, p, ql>  qz, q3を,それぞれ制約式(19・1)から 094)に対 応した,双対変数ベクトJレとおいて, P問題(1)9の双対問題を提示する,こ

ととするoすなわち。

Min Z"=bTp‑CITql‑czTq2‑C3Tq3 

sub. to.  A1Tp +2DIlTql +2D2ITq2+2D3/q3;O (201) A3Tp +2D13Tql +2Dz3Tq2+2D33Tq3O (202)

‑A1ql  ‑A2q2  ‑ Aq3 (203)

q2  O (204) q3O (205) and  d1Tql +d2TqZ +d3Tq3;三一I. (206) さて, [p*T, ql*T, q2*T, q3*Trを,印)の最適解であるとするo そのとき,

hおよび%が,主最適解W において,正である限りは, (20・1)および

(12)

(204)は,等式として成立しなければならない。乙れは. L Pの相補スラ ック性の条件より導き出されるo かくして,双対最適解によれば,間)は,以 下の形式で表わされるo

zHopt=bTP*C1q1*‑c3q/ 

q3*O

(210) (211) (212) (213) (214) (215)

sub. to.  A1TP*+2DuTq1*+2D3ITq3*= 0  A3 TP* +2D13 T q1 * +2D33T q3 *孟O

ω  A1ql*  + A3q3* 

d1Tql*  +d3Tq3*i.

今. (211)ql*T (212)qa*Tを,前からかけて,その積を転 置させると,以下のようになるo

(1* q1*TDl1q1* TD31q1*=0 

P*TA3qa* +2q1*TDI3q3* +2q3 TD33q3*;o.

乙の2式の和は, (213)により,以下のように表わす乙とができるD

U2

1I ll

l

*

*  

‑ A

句 ︒

/ilJIL 

‑ ‑ ‑ ノ D D   D D  

/1lilt

sfJ

m A 

q .

 

.

E L nω 

さらに, ωが,以下の式と同等である乙とは,明らかである。

U2

¥Ill11/ 

*

*  

nU

f i l l

L  

a

EE

d m E .  

nHU 

ME

rl L 

4

ここで. Dが負値であるので, ω q1* = q3* = 0のときに限り満足され

ql* = q3*= 0 (21・1)に代入すると.A1TP=0となる白よって,以下 の式が成立するD

ωP*TA1=0.

(

16)により,主最適解Wにおいては.X30であったから, (19・1)は. A

=bとなるD よって,以下の式が成立するo

(13)

2次計画法におけるウォJレフ法とビール法 13  P*Tb= bTP* =0. 

そのとき,双対目的関数の最適値は. (210)によりゼロとなるo よって,

主目的値

zHopt = ‑ 2: u/ 

もまたゼロであるD 計三三Oでであったから.u/= (j n)とな る(証了)

1. 3. 数 値 例

ウォノレフの方法を例解するために,改訂シンプレックス法を用いて,以下 の例題を解くこととする。

(MX=

ω‑2x2x."‑x2xx.‑2xx

sub.  to.  x1+ ゐ +2xa~ and  xl>  x2 • xa;o.

ここで,目的関数の2次形式の部分は,負値である口標準形(2)に変形するた めに,制約式にスラック変数を追加するoすなわち,

(X1+x2+2xa+X4= 3 

Xl>  X2• Xa.  X40 1.  1.  節の記号にしたがえば,

‑211 0 

‑12 0  0 1  [1 1 2 1].  D ~.L ~ L. 

1 ‑ 1 0 ‑ 1 0 1  

¥o 0 0 0  

また,制約方程式系(11)は,以下のように表記されるo

X1+x2+2xa+x4 

‑4xl‑2x2‑2xa  一入1++V1

‑2xl‑4x2  一入1+ 十 円

‑2x1  ‑2xa  ‑21+2 +Va 

=3 

=‑8 

=‑6 

=‑4 

(14)

^'1+ +V,  x, λ, ^'o,  O

xTv  =0. 

まず, Ax=bの基底解を, Xu=ι=3にとることとする。次に,

u' =ー [cT+2(DBxB?r= [‑86‑4OJT

を計算し ,U4)にしたがって,人為変数を上記の制約式に加えると,以下のよ うになるo

X1+x2+2xaX =3 

‑4xl‑2x2‑2x 一入1+^'O+V1 ‑U1  =‑8 

‑2x14x2 一入1+^'O  +V ‑U =‑6 

(2~ ‑2X ‑2x ‑2^‑1+2 +V ‑U =‑4  一入1 +V,  +u,  =0 

X, λ,  V, 

XTv=O. 

このとき,制約式ωの初期基底可能解XBおよび基底行列Bは,それぞれ以 下のとおりであるo

XB=[x"  U1, U2, U3, ur=[ J¥ 

1  O  O  O  O 

1  O  O  O  01 O  O  O  O  1  O  O  O  O  O 

次に,制約式ωのもとで, z' = ‑2: ~ uJを最大化する手IJ貝に移って ゆくo計算を進める前に,人為基底変数山の値が,ゼロとなっていることに 注目する。人為変数を,より早く基底から追い出すために.U,をV,と置き 換えるD この操作は,条件XTV=0をやぷらないので,許容される。

演算を先に進めることとする。いま,基底可能解XBおよび費用係数CB

は,それぞれ以下のとおりであるo

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