累托最优解:Pareto-optimality
帕累托最优性概念是一种在考虑多个目标时,定义解决方案好坏的方法。
帕累托最优解是不被可行空间中另一种解支配的解,即不存在对所有考虑的目标都更好的解
支配:多目标优化问题中,个体A至少有一个目标比个体B好,而且个体A的所有目标都不比个体B差,称个体A支配个体B
支配:一个向量
支配另一个向量,
,当且仅当
,并且
,这样就可以表示为v<w
例:v={1,2,3,4,5} w={1,2,4,4,5},v每个元素都<=w,可以认为v支配w
帕累托最优集的定义为
,x属于决策空间,不存在x’ 属于决策空间,使得F(x’)<F(x)
帕累托前沿定义:
帕累托集近似是一组近似解,其中这个集合的元素不被任何其他元素支配

上图说明一个MOO问题的帕累托前沿,其中两个目标函数f1(x)和f2(y)被最小化
红色目标值对应非支配, 灰色目标值对应支配解(受红色支配)
帕累托前延上的值
《非支配解》定义:假设任何二解S1 及S2 对所有目标而言,S1均优于S2,则我们称S1 支配S2,若S1 的解没有被其他解所支配,则S1 称为非支配解。
https://baike.baidu.com/item/%E9%9D%9E%E6%94%AF%E9%85%8D%E8%A7%A3/6911808?fr=aladdin
如果你的导师需要你学习:唱、跳、rap和篮球,这四个作为你的目标,但是你的老师只给了你1年的时间,很显然由于你的练习时长不足两年半,你无法使这四个目标都达到最优。
上面的引例可以总结为:
(1)目标={唱,跳,rap,篮球}
(2)约束={练习时长 <= 一年}
1、定义一解释:
你使用两种方法v和w进行练习,得到的结果是:
v = {唱的优,跳的优,rap说的优,篮球打的优},w = {唱的良,跳的优,rap说的良,篮球打的良}
很显然v这种练习方式要比w这种练习方式要好,就可以认为v支配w
2、定义二解释:
你使用两种练习方式x和y,得到的结果为:
x = {唱的优,跳的良,rap说的良,篮球打的良}, y = {唱的良,跳的优,rap说的良,篮球打的良}
很显然x这种练习方式使你唱功要比y的好,但是y这种练习方式使得你跳舞的能力比x好。
我们就认为这两种练习方式各有千秋,谁也不支配谁。那么x和y的练习方式就会被放入到帕累托最优集中,既
P = {x,y,…}
3、定义三解释:
F(x)是我们的目标函数
将我们的解决方案带入就可以计算了。
最后我们就可以根据我们其他的要求来选择更好的解了,比如我们马上要参加《我是歌手》,那么我们就会选择x这种练习方式
多目标优化问题生活中很常见,比如汽车车身零部件设计中,要求设计的零件刚度要很大,同时质量很轻,这就是一个两目标问题,同时他还有一些条件约束,比如模态约束,尺寸约束等。再者金融领域中,我们希望投入的资金少,风险小,并且获得的利益最大,这就是一个三目标问题,但是掰着脚趾头都知道同时达到这三个目标是不可能的
多目标优化就是给出他的一些列可能的选择,然后用户自己去评判想选谁
多目标优化问题的数学模型一般可以如下:

其中
表示n个目标函数,目标是都使之达到最小,
是其变量的约束集合,可以理解为变量的取值范围
假设现在有两个目标函数,解A对应的目标函数值都比解B对应的目标函数值好,则称解A比解B优越,也可以叫做解A强帕累托支配解B

同样假设两个目标函数,解A对应的一个目标函数值优于解B对应的一个目标函数值,但是解A对应的另一个目标函数值要差于解B对应的一个目标函数值,则称解A无差别于解B,也叫作解A能帕累托支配解B,举个例子,还是上面的图,点C和点D就是这种情况,C点在第一个目标函数的值比D小,在第二个函数的值比D大
假设在设计空间中,解A对应的目标函数值优越其他任何解,则称解A为最优解,举个例子,下图的 就是两个目标函数的最优解,使两个目标函数同时达到最小,但是前面也说过,实际生活中这种解是不可能存在的。真要存在就好了,由此提出了帕累托最优解

同样假设两个目标函数,对于解A而言,在 变量空间 中找不到其他的解能够优于解A(注意这里的优于一定要两个目标函数值都优于A对应的函数值),那么解A就是帕累托最优解,举个例子,下图中应该找不到比x1对应的目标函数都小的解了吧,即找不到一个解优于x1了,同理也找不到比x2更优的解了,所以这两个解都是帕累托最优解,实际上,x1,x2这个范围的解都是帕累托最优解,不信自己慢慢想。因此对于多目标优化问题而言,帕累托最优解只是问题的一个可接受解,一般都存在多个帕累托最优解,这个时候就需要人们自己决策了

还是看 刚才 那张图 ,如下图所示,更好的理解一下帕累托最优解,实心点表示的解都是帕累托最优解,所有的帕累托最优解构成帕累托最优解集,这些解经目标函数映射构成了该问题的Pareto最优前沿或Pareto前沿面
即帕累托最优解,对应的目标函数值就是帕累托最优前沿

对于两个目标的问题,其Pareto最优前沿通常是条线
而对于多个目标,其Pareto最优前沿通常是一个超曲面

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