научная статья по теме ТЕОРИЯ ДВОЙСТВЕННОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОЛИЭДРАЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ ВЫПУКЛЫХ ТЕЛ Математика

Текст научной статьи на тему «ТЕОРИЯ ДВОЙСТВЕННОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОЛИЭДРАЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ ВЫПУКЛЫХ ТЕЛ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2008, том 48, < 3, с. 397-417

УДК 519.658

ТЕОРИЯ ДВОЙСТВЕННОСТИ ОПТИМАЛЬНЫХ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОЛИЭДРАЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ ВЫПУКЛЫХ ТЕЛ1

© 2008 г. Г. К. Каменев

(119333 Москва, ул. Вавилова, 40, ВЦ РАН) e-mail: kamenev@ccas.ru Поступила в редакцию 02.07.2007 г.

Предлагается аппарат теории двойственного описания итерационных методов полиэдральной аппроксимации выпуклых тел. Рассматриваются различные типы задач аппроксимации, требующие применения теории двойственности. Предложенная теория позволяет конструировать методы аппроксимации тел с двойственным описанием (опорная/дистанционная функции), а также методы, оптимальные с точки зрения двойственных характеристик сложности аппроксимирующих многогранников (вершины/грани). Сформулированы новые оптимальные методы на основе предложенной теории. Библ. 34.

Ключевые слова: выпуклое тело, аппроксимация многогранником, алгоритм, метод аппроксимации, оптимальные методы, оценка сложности, двойственность.

1. ТЕОРИЯ ДВОЙСТВЕННОСТИ В ЗАДАЧАХ ПОЛИЭДРАЛЬНОЙ

АППРОКСИМАЦИИ

Аппроксимация многогранниками является традиционным средством исследования выпуклых множеств (см. [1]). Долгое время интерес к задаче был в основном теоретическим (см. [2]). Вместе с тем задача аппроксимации выпуклых компактных тел многогранниками возникает во многих приложениях: в теории оптимального управления (см. [3]), математическом программировании, кодировании изображений и др. Важное практическое значение вычислительные методы полиэдральной аппроксимации (МПА) имеют в задачах принятия решений на основе использования математических моделей (см. [4]-[6]). Для решения этих задач получили развитие теория и практика использования адаптивных методов полиэдральной аппроксимации (АМПА). В частности, был разработан адаптивный итерационный метод "уточнения оценок" (см. историю его создания в [6]), который показал себя практически пригодным для аппроксимации выпуклых тел большой размерности. В рамках этих исследований был предложен в [7]-[9], теоретически обоснован в [7]-[16], экспериментально в [17]-[19] исследован и нашел практическое применение (см. [4]-[6]) класс хаусдорфовых (или Н-) методов полиэдральной аппроксимации, асимптотически оптимальных с точки зрения сложности описания аппроксимирующих многогранников.

Необходимость применения теории двойственности в задачах полиэдральной аппроксимации возникает в следующих случаях:

1) когда при наличии методов, основанных на описании аппроксимируемого тела через опорную (дистанционную) функцию, необходимо разработать МПА для тел с двойственным описанием через дистанционную (опорную) функцию;

2) когда при наличии методов с последовательно растущим числом вершин (гиперграней) необходимо разработать МПА многогранниками с двойственным описанием, т.е. с последовательно растущим числом гиперграней (вершин);

3) при необходимости разработки МПА, оптимальных по числу вычислений опорной и/или дистанционной функции аппроксимируемого тела.

В настоящей статье предлагается аппарат двойственного описания МПА, определенных с помощью схем восполнения и отсечения, затем устанавливается факт двойственности H- и Н1-по-

1)Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ (код проекта НШ-5379.2006.1), РФФИ (код проекта 07-01-00472), программы фундаментальных исследований РАН < 14 и программы фундаментальных исследований ОМН РАН < 3.

следовательностей восполнения и отсечения. Далее рассматриваются методы построения двойственных АМПА в задачах аппроксимации в различной постановке.

2. КЛАССЫ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОЛИЭДРАЛЬНОЙ АППРОКСИМАЦИИ

Рассмотрим евклидово пространство Ed со скалярным произведением (•, •), расстоянием р(-, ■), нормой ||-1| и лебеговой мерой ц. Пусть Br(z) обозначает замкнутый шар радиуса r с центром в z, Bd - единичный шар с центром в начале координат, Sd- 1 - сферу направлений, т.е. границу Bd, и пусть nd := ^(Bd). Для е, 0 < е, и X с E введем обозначения

[X]e := {x е Ed: p(x, X) < е}, (Х)е := {x е Ed: p(x, X) < е}.

Множество K с Ed называется конусом, если для любого x е K и X, 0 < X, справедливо включение

Xx е K. Множество C с Ed называется выпуклым, если (1 - X)x + Xy е C для всех x, y е C и 0 < X < 1.

Выпуклой оболочкой множества X с Ed называется множество convX, являющееся пересечением всех выпуклых множеств, содержащих X. Для двух выпуклых множеств C1 и C2 введем обозначение выпуклого множества

C1 + C2 := {z е Ed: z = x + y, x е C1, x е C2} (сумма по Минковскому). Для X е [R и выпуклого C пусть

XC := {z е Ed: z = Xx, x е C}. Для X > 0 введем внешнее параллельное множество

Cx := C + BX(0) = U Bx( x).

x е C

Ясно, что в нашем случае [C]X = CX, X > 0. Через proj(x, X) обозначим проекцию точки x на множество X, через card X - мощность множества X.

Обозначим через % класс выпуклых компактных множеств с непустой внутренностью, т.е. выпуклых компактных тел (ВКТ). Через dC обозначим границу тела C, через intC - множество его внутренних точек, через ffl(C) - его асферичность (минимальное отношение радиусов концентрических внешнего R(C) и внутреннего r(C) шаров) и через c(C) - его поверхностный объем.

Обозначим через %+ класс ВКТ с дважды непрерывно дифференцируемой границей и положительными главными кривизнами. Через rmin(C) и rmax(C) обозначим минимальный и, соответ-

2

ственно, максимальный радиусы кривизны dC, C е %+ .

Пусть ^ с %, - класс выпуклых телесных многогранников (выпуклых оболочек конечного множества точек, не лежащих в одной гиперплоскости). Для P е ^ через M'(P) обозначим множество его вершин, а через m\P) - число его вершин, через Mf(P) обозначим множество векторов единичных внешних нормалей к его гиперграням (граням максимальной размерности), а через mf(P) - число его гиперграней. Для C е % введем класс &'(C) внутренних многогранников,

вершины которых принадлежат dC (вписанных многогранников), и класс 9?c(C) внешних многогранников, гиперграни которых касаются dC (описанных многогранников). Определим также классы

^m (C) := { P е ^'(C): т( P) < m }, ^ (C) := { P е ^c( C): mf( P) < m }. Рассмотрим традиционную (см. [2]) для рассматриваемой задачи метрику Хаусдорфа

8(C1, C2) := max{sup{p(x, C2): x е C1}, sup{p(x, C1): x е C2}}. В дальнейшем, где это возможно, будем опускать индексные обозначения. Так, через ^m(C) будем обозначать (C) и &cm (C), через ^(C) будем обозначать ^m(C) для любых m > d + 1, че-

рез M(P), m(P) будем обозначать Mt(P), m'(P) для P е ^'(С) и Mf(P), mf(P) для P е ^c(C). Пусть также

8(С, ®m(C)) := inf{8(C, P): P е ^(С)}.

Пусть Eq := Е\{0}, ^o := {С с %: {0} е int С} - класс ВКТ, содержащих внутри себя начало координат, := n ^0(С) := п ^(С).

Для u е Eq введем обозначения опорной функции

g(u, С) := max{<u, x>: x е С},

опорного полупространства

L(u, С) := {x е Ed <u, x> < g(u, С)},

опорной гиперплоскости

l(u, С) := {x е Ed: <u, x> = g(u, С)},

множества точек касания

T(u, С) := {р е дС: <u, р> = g(u, С)} и конуса внешних единичных нормалей в граничной точке р е дС

S(p, С) := {u е Sd- ь <u, р> = g(u, С)}. Для произвольного р е Ed нам будет удобно использовать обозначения

g(u, р) := <u, р>, l(u, р) := {x е Ed: <u, x> = <u, р>},

L(u, р) := {x е Ed: <u, x> < <u, р>},

что, очевидно, не противоречит введенным ранее определениям опорных функции, гиперплоскости и полупространства.

Пусть С е и x е Ed, через

g*(x, С) := min{^ > 0: x е ^С}

обозначим дистанционную (калибровочную или Минковского) функцию для С. Из определения дистанционной функции следует (см. [20, замечание 11.1]), что

g*(x, С) = ||x||/||x01|,

где x0 = [o, x) п дС - точка пересечения луча, исходящего из начала координат и проходящего через x, и границы тела С. Эту точку x0 обозначим через

t(x, С) := x/g*(x, С) е дС, x е Eq .

Пусть ю0(С) - минимальное отношение радиусов внешнего R0(G) и внутреннего г0(С) шаров с центрами в начале координат. Ясно, что ю0(С) > ю(С).

Определим теперь общие аппроксимационные схемы - схему восполнения (см. [21], [17], [8]) и схему отсечения (см. [22], [8]).

СХЕМА ВОСПОЛНЕНИЯ

Пусть построен Pn е 9?1(С). Тогда (n + 1)-я итерация состоит из двух шагов.

Шаг 1. Выбираем рп е дС.

Шаг 2. Кладем Pn + 1 := еопу{рп, Pn}.

Конкретные методы, основанные на схеме восполнения, можно характеризовать способами решения двух задач: способом выбора рп е дС и способом построения Pn + 1 := сопу{рп, Pn} в требуемом виде.

СХЕМА ОТСЕЧЕНИЯ

Пусть построен Рп е 9с(С). Тогда (п + 1)-я итерация состоит из двух шагов. Шаг 1. Выбираем направление ип е - 1. Шаг 2. Кладется Рп + 1 := Рп п Ь(ип, С).

Конкретные МПА, основанные на схеме отсечения, можно характеризовать способами решения задач: способом выбора ип е - 1 и способом построения Рп + 1 := Рп п Цип, С) в требуемом виде.

Поскольку в схеме восполнения (отсечения) Рп е 9'(С) (Рп е 9с(С)), то Рп + 1 е 9'(С) (Рп + 1 е е 9с(С)). Если в некоторой реализации схемы восполнения (отсечения) многогранник начального приближения Р0 принадлежит 9 (С) (9с(С)), то и Рп е 9' (С) (Рп е 9 (С)) для любого п. В этом случае будем говорить, что последовательность многогранников {Рп}п = 0, 1, 2, ... является последовательностью восполнения (отсечения) для С или последовательностью многогранников, порождаемой данной схемой для тела С и многогранника начального приближения Р0 е 9(С).

Приведем теперь определения классов последовательностей вписанных и описанных многогранников, неявно характеризующих классы адаптивных методов полиэдральной аппроксимации (АМПА), порождающие их.

Определение 1. Последовательность многогранников {Рп}п = 1, 2, порождаемую для С е 9 и

Р0 е 9'(С) некоторой реализацией схемы восполнения, будем называть хаусдорфовой, или #(у, С)-последовательностью восполнения, если существует константа у > 0 такая, что для любого п = 0, 1, ... справедлива оценка

5(Рп, Рп + 1) > у5(Рп, С). (1)

Так как

5(Рп, Рп + 1) = р(рп, Рп),

то условие (1) может быть переформулировано в виде

Р(Рп, Рп) > у5(Рп, С).

Определение 2. Последовательность многогранников {Рп}п = 1, 2, пор

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком