\usepackage{fancyhdr}
\usepackage{tocbibind}
\usepackage{lmodern}
+\usepackage{enumitem}
%%%%%Marges & en-t\^etes
\newtheorem{Cor}[Th]{Corollaire}
\newtheorem{Rmq}{Remarque}
-\newcommand{\norme}[1]{\left\Vert #1\right\Vert}
+\newcommand{\norme}[1]{\left\Vert #1 \right\Vert}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{tabular}{c}
\hline
~ \\
- \LARGE\textbf {Programmation Séquentielle Quadratique ou PQS} \\
+ \LARGE\textbf {Programmation Quadratique Séquentielle ou PQS} \\
\LARGE\textbf {en} \\
\LARGE\textbf {Optimisation non linéraire sous contraintes} \\
~ \\
La problèmatique $ \mathcal{P} $ se définit par :
$$
\mathcal{P} \left \{
- \begin{array}{r}
+ \begin{array}{l}
\displaystyle\min_{x \in \mathbb{R}^n} J(x) \\
g(x) \leq 0 \\
h(x) = 0
\subsection{Quelques définitions annexes}
Définissons quelques notions supplémentaires de base nécessaires à la suite :
+\begin{Def}
+ On définit le Lagrangien associé à $ \mathcal{P} $ par :
+ $$ \begin{array}{r c l}
+ L : \mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^q \times \mathbb{R}_+^p & \longrightarrow & \mathbb{R} \\
+ (x,\lambda,\mu) & \longmapsto & L(x,\lambda,\mu) = J(x) + \sum\limits_{i=1}^{q} \lambda_i h_i(x) + \sum\limits_{j=1}^{p} \mu_j g_j(x) \\
+ & & L(x,\lambda,\mu) = J(x) + \langle \lambda,h(x) \rangle_{\mathbb{R}^q} + \langle \mu,g(x) \rangle_{\mathbb{R}^p}
+ \end{array} $$
+ où l’on note $ \lambda $ et $ \mu $ les vecteurs de coordonnées respectives $ (\lambda_1,\ldots,\lambda_q) $ et $ (\mu_1,\ldots,\mu_p) $.
+\end{Def}
\begin{Def}
Soient $ \mathbb{R}^n $ un espace topologique, $ A \subset \mathbb{R}^n $ et $ x^\ast \in \mathbb{R}^n $.
\newline
\begin{Prop}
\begin{enumerate}
\item $ H[f](x^\ast) $ est une matrice symétrique (Théorème de symétrie de Schwarz).
- \item On a le développement de Taylor-Young à l'ordre 2 suivant :
+ \item On a le développement de Taylor-Young à l'ordre 2 en $ x^\ast $ suivant :
$$ f(x^\ast + v) = f(x^\ast) + \langle \nabla f(x^\ast),v \rangle + \frac{1}{2} v^\top H[f](x^\ast) v + \varepsilon(v) $$
+ ou
+ $$ f(x^\ast + v) = f(x^\ast) + \langle \nabla f(x^\ast),v \rangle + \frac{1}{2} \langle H[f](x^\ast)v,v \rangle + \varepsilon(v) $$
avec $ \frac{|\varepsilon(v)|}{\norme{v}} \rightarrow 0 $ quand $ \norme{v} \rightarrow 0 $.
\end{enumerate}
\end{Prop}
+\begin{proof}
+ Elle repose entièrement sur deux autres théorèmes dont les preuves sont connues et de la réécriture de formulation de résultat.
+\end{proof}
\subsection{Conditions d'existence d'un extremum}
\section{Methode de descente}\label{descente}
+Nous supposons que le domaine des contraintes de $ \mathcal{P} $ est un ouvert de $ \mathbb{R}^n $ (c'est à dire que nous n'avons pas de contraintes) et $ J $ est une fonction définie sur $ \mathbb{R}^n $ à valeurs réelles supposée différentiable, voire même deux fois différentiable. Les conditions nécessaires d’optimalité du premier et du second ordre expriment le fait qu’il n’est pas possible de “descendre” à partir d’un point de minimum (local ou global). Cette observation va servir de point de départ à l’élaboration des méthodes dites de descente.
+
Partant d’un point $ x_0 \in \mathbb{R}^n $ arbitrairement choisi, un algorithme de descente va chercher à générer une suite d’itérés $ (x_k)_{k \in \mathbb{N}} $ de $ \mathbb{R}^n $ définie par :
$$ x_{k+1} = x_k + s_kd_k $$ où $ s_k \in \mathbb{R}_{+}^{*},d_k \in \mathbb{R}^n $ et avec
$$ \forall k \in \mathbb{N} \ J(x_{k+1}) \leq J(x_k) $$
\section{Méthode Newtonienne}
-L’algorithme de Newton en optimisation est une application directe de l’algorithme de
+Les hypothèses sur $ \mathcal{P} $ de la section précédente restent les mêmes dans cette section. L’algorithme de Newton en optimisation est une application directe de l’algorithme de
Newton pour la résolution d’équations du type : $ F(x) = 0 $. En optimisation sans contrainte,
l’algorithme de Newton cherche les solutions de l’équation :
$$ \nabla J(x) = 0, $$
\newline
En supposant $ J $ de classe $ \mathcal{C}^2 $ et la matrice hessienne $ H[J](x_k) $ inversible, une itération de l’algorithme de Newton s’écrit :
$$ x_{k+1} = x_k - H[J](x_k)^{-1} \nabla J(x_k), $$
-où $ d_k = -H[J](x_k)^{-1} \nabla J(x_k) $ est appelée direction de Newton.
+où $ d_k = -H[J](x_k)^{-1} \nabla J(x_k) $ est appelée direction de Newton. La direction $ d_k $ est également l’unique solution du problème :
+$$ \underset{d \in \mathbb{R}^n}{\mathrm{argmin}} \ J(x_k) + \langle \nabla J(x_k),d \rangle + \frac{1}{2}\langle H[J](x_k)d,d \rangle $$
+Autrement dit, $ d_k $ est le point de minimum global de l’approximation de second ordre de
+$ J $ au voisinage du point courant $ x_k $.
+A condition que la matrice $ H[J](x_k) $ soit définie positive à chaque itération, la méthode
+de Newton est bien une méthode de descente à pas fixe égal à $ 1 $.
+\newline
+Les propriétés remarquables de cet algorithme sont :
+
+\begin{tabular}{|p{20em}|p{20em}|}
+ \hline
+ Avantages & Inconvénients \\
+ \hline
+ sa convergence quadratique (le nombre de décimales exactes est multiplié par 2 à chaque itération). & \\
+ \hline
+ & les difficultés et le coût de calcul de la hessienne $ H[J](x_k) $ : l’expression analytique des dérivées secondes est rarement disponible dans les applications. \\
+ \hline
+ & le coût de résolution du système linéaire $ H[J](x_k )(x_{k+1} - x_k) = \nabla J(x_k) $. \\
+ \hline
+ & l’absence de convergence si le premier itéré est trop loin de la solution, ou si la hessienne est singulière. \\
+ \hline
+ & pas de distinction entre minima, maxima et points stationnaires. \\
+ \hline
+\end{tabular}
+\newline
+La question que l’on se pose est donc : comment forcer la convergence globale de l’algorithme de Newton ? L’idée des méthodes de type Newton consiste à reprendre
+l’algorithme de Newton en remplaçant les itérations par :
+$$ x_{k+1} = x_k - s_k H_k^{-1} \nabla J(x_k), $$
+où
+\begin{itemize}
+ \item la matrice $ H_k $ est une approximation de la hessienne $ H[J](x_k) $.
+ \item $ s_k > 0 $ est le pas calculé par une recherche linéaire bien choisie.
+\end{itemize}
+Plusieurs questions se posent alors :
+\begin{itemize}
+ \item Comment déterminer une matrice $ H_k $ qui soit une “bonne” approximation de la hessienne à l’itération $ k $ sans utiliser les informations de second ordre et garantir que $ H_k^{-1} \nabla J(x_k) $ soit bien une direction de descente de $ J $ en $ x_k $, sachant que la direction de Newton, si elle existe, n’en est pas nécessairement une ?
+ \item Comment conserver les bonnes propriétés de l’algorithme de Newton ?
+\end{itemize}
+Nous ne répondrons pas à ces questions qui sont hors du cadre de ce projet. Cette section permet d'introduire certains prérequis pour l'étude de la méthode PQS et de rendre compte de sa filiation.
\section{Méthode PQS (ou SQP)}
+Nous supposons les fonctions $ J,g,h $ à valeurs réelles et de classe $ \mathcal{C}^1 $.
+Trouver une solution d’un problème d’optimisation sous contraintes fonctionnelles consiste
+à déterminer un point optimal $ x^\ast $ et des multiplicateurs associés $ (\lambda^\ast,\mu^\ast) $. Deux grandes familles de méthodes peuvent être définies pour la résolution des problèmes d’optimisation sous contraintes : les méthodes primales et les méthodes duales. Les approches primales se concentrent sur la détermination du point $ x^\ast $, les multiplicateurs $ (\lambda,\mu) $ ne servant souvent qu’à vérifier l’optimalité de $ x^\ast $. Les méthodes duales quant à elles mettent l’accent sur la recherche d’un multiplicateur en travaillant sur un problème d’optimisation déduit du problème initial par \textit{dualité}.
+
+\subsection{Algorithmes newtoniens}
+
+Les algorithmes newtoniens sont basés sur la linéarisation d’équations caractérisant les solutions que l’on cherche, fournies par les conditions d’optimalité d’ordre $ 1 $. Ces algorithmes sont \textit{primaux-duaux} dans le sens où ils génèrent à la fois une suite primale $ (x_k )_{k \in \mathbb{N}} $ convergeant vers une solution $ \overline{x} $ du problème considéré, et une suite duale $ (\lambda_k)_{k \in \mathbb{N}} $ de multiplicateurs convergeant vers un multiplicateur optimal $ \overline{\lambda} $ associé à $ \overline{x} $.
+
+\subsection{Algorithme PQS}
+
+\subsubsection{Contraintes d’égalité}
+
+Considérons un problème d’optimisation différentiable $ \mathcal{P} $ avec contraintes d’égalité :
+$$
+ \mathcal{P} \left \{
+ \begin{array}{l}
+ \displaystyle\min_{x \in \mathbb{R}^n} J(x) \\
+ h(x) = 0
+ \end{array}
+ \right .
+$$
+où $ J: \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R} $ et $h: \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R}^q$ sont supposées au moins différentiables.
+\newline
+Les conditions d’optimalité de Lagrange (ou \textit{KKT}) s’écrivent :
+$$ \nabla J(x) + \sum\limits_{i=1}^{q} \lambda_i \nabla h_i(x) = 0 \iff \nabla L(x,\lambda) = 0 $$
+donc $ \mathcal{P} $ devient :
+$$ \begin{pmatrix}
+ \nabla J(x) + \sum\limits_{i=1}^{q} \lambda_i \nabla h_i(x) \\
+ h(x)
+ \end {pmatrix} = 0 $$
+Pour résoudre ce système d’équations, utilisons la méthode de Newton dont une itération s’écrit ici :
+$$ H[L](x_k,\lambda_k)\begin{pmatrix}
+ x_{k+1} - x_k \\
+ \lambda_{k+1} - \lambda_k
+ \end{pmatrix} = -\nabla L(x_k,\lambda_k) $$
+soit :
+$$ \begin{pmatrix}
+ H_x[L](x_k,\lambda_k) & D_h(x_k)^\top \\
+ D_h(x_k) & 0
+ \end{pmatrix} \begin{pmatrix}
+ x_{k+1} - x_k \\
+ \lambda_{k+1} - \lambda_k
+ \end{pmatrix} = -\begin{pmatrix}
+ \nabla_x L(x_k,\lambda_k) \\
+ h(x_k)
+ \end{pmatrix} $$
+où $ D_h(x) $ désigne la matrice jacobienne de l’application $ h : \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R}^q $ définie par :
+$$ D_h(x)^\top = [\nabla h_1(x)\ldots\nabla h_q(x)] $$
+Posons : $ H_k = H_x[L](x_k,\lambda_k), \ d = x_{k+1} - x_k $ et $ \mu = \lambda_{k+1} $. L'itération s'écrit donc :
+$$ \begin{pmatrix}
+ H_k & D_h(x_k)^\top \\
+ D_h(x_k) & 0
+ \end{pmatrix} \begin{pmatrix}
+ d \\
+ \mu - \lambda_k
+ \end{pmatrix} = -\begin{pmatrix}
+ \nabla_x L(x_k,\lambda_k) \\
+ h(x_k)
+ \end{pmatrix} $$
+et est bien définie à condition que la matrice $ H_x[L](x_k,\lambda_k) $ soit inversible. Ce sera le cas si :
+\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
+ \item Les colonnes $ \nabla h_1(x_k),\ldots,\nabla h_q(x_k) $ de $ D_h(x_k)^\top $ sont linéairement indépendants : c’est l’hypothèse de qualification des contraintes.
+ \item Quel que soit $ d \neq 0 $ tel que $ D_h(x_k)d = 0, \ d^\top H_k d > 0 $ : c’est la condition suffisante d’optimalité du second ordre dans le cas de contraintes d’égalité.
+\end{enumerate}
+Revenons à l’itération. Elle s’écrit encore :
+$$
+ \left \{
+ \begin{array}{r c l}
+ H_kd + \sum\limits_{i=1}^q(\mu_i - \lambda_{k_i})\nabla h_i(x_k) & = & -\nabla_x L(x_k,\lambda_k) \\
+ \nabla h_i(x_k)^\top d + h_i(x_k) & = & 0, \ \forall i \in \{1,\ldots,q\}
+ \end{array}
+ \right .
+$$
+Or $ \nabla_x L(x_k,\lambda_k) = \nabla J(x_k) + \sum\limits_{i=1}^{q} \lambda_{k_i} \nabla h_i(x_k) $, d'où :
+$$
+ \left \{
+ \begin{array}{r c l}
+ H_kd + \sum\limits_{i=1}^q\mu_i\nabla h_i(x_k) & = & -\nabla J(x_k) \\
+ \nabla h_i(x_k)^\top d + h_i(x_k) & = & 0, \ \forall i \in \{1,\ldots,q\}
+ \end{array}
+ \right .
+$$
+On reconnait dans le système ci-dessus les conditions d’optimalité de Lagrange du
+problème quadratique suivant :
+$$
+ \mathcal{PQ}_k \left \{
+ \begin{array}{l}
+ \displaystyle\min_{d \in \mathbb{R}^n} \nabla J(x_k)^\top d + \frac{1}{2}d^\top H_k d \\
+ h_i(x_k) + \nabla h_i(x_k)^\top d = 0, \ \forall i \in \{1,\ldots,q\}
+ \end{array}
+ \right .
+$$
+Le problème $ \mathcal{PQ}_k $ peut être vu comme la minimisation d’une approximation quadratique du Lagrangien de $ \mathcal{P} $ avec une approximation linéaire des contraintes.
+\newline
+Comme son nom l’indique, la méthode PQS consiste à remplacer le problème initial par une suite de problèmes quadratiques sous contraintes linéaires plus faciles à résoudre. L’algorithme est le suivant :
+
+\subsubsection{Contraintes d’inégalité}
+
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\bibliography{stdlib_sbphilo}
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