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Esercizi su Ottimizzazione - Scandolo G. - Cap. 4, Esercizi di Matematica Generale

Esercizi e soluzioni relative all'argomento dell'ottimizzazione matematica. I problemi riguardano l'analisi di insiemi, calcolo di gradiente e matrice hessiana, determinazione di punti stazionari e identificazione di minimi e massimi. Le forme quadratiche considerate sono diverse.

Tipologia: Esercizi

2019/2020

Caricato il 20/06/2020

Utente sconosciuto
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G. S CANDOLO ESERCIZI SU OTTIMIZZAZIONE - 4
ESE RC IZ I
(Gli esercizi con (*) sono pi`u avanzati)
1. Disegnare ciascuno dei seguenti sottoinsiemi di R2, dicendo se si tratta di un insie-
me chiuso, aperto e/o limitato:
B1={(x,y):xy>0}B2={(x,y):x2+y2<4}
B3={(x,y):y=x2}B4={(x,y):x>2, 0 <y<1}
B5={(x,y):x=0, 0 6y61}B6={(x,y):|x|=1, 0 6y61}
B7={(x,y):|x|<1, |y|<1}B8={(x,y):|x|<1, |y|<1, (x,y)6= (0, 0)}
(*) B9={(x,y):xeysono numeri interi}B10 ={(x,y):|xy|>0}
(Nota: i primi 8 sono quelli del precedente file di esercizi)
2. Spiegare perch´
e il seguente problema:
min x33xy2+6ysoggetto a x2+y2<1
sicuramente non ha soluzioni.
3. Spiegare perch´
e il seguente problema:
max nex4+xy +log(x4+y2+1)osoggetto a 0 6x61, 0 6y6x
sicuramente ha soluzione.
4. Per ognuna delle seguenti forme quadratiche, calcolare gradiente e matrice Hessia-
na, determinare i punti stazionari e dire se (0, 0)`
e un punto di minimo (su R2), di
massimo, o nessuna delle due.
f1(x,y) = 4x22y2+xy f2(x,y) = x2+5y2+4xy
f3(x,y) = 4xy 4x2y2f4(x,y) = (3x+y)(xy)
f5(x,y) = x2xy f6(x,y) = 8xy
5. Per quali valori di kR, se ne esistono, la forma quadratica
f(x,y) = kx2+4ky22xy
ha (0, 0)come punto di minimo?
6. (*) Trattando separatamente i punti interni a Sdai punti sulla frontiera, risolvere:
min x2+y2+xy 2x2ysoggetto a 0 6x61, 0 6y61
e il relativo problema di massimo.
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ESERCIZI

(Gli esercizi con (*) sono pi `u avanzati)

1. Disegnare ciascuno dei seguenti sottoinsiemi di R^2 , dicendo se si tratta di un insie-

me chiuso, aperto e/o limitato:

B 1 = {(x, y) : x − y > 0 } B 2 = {(x, y) : x^2 + y^2 < 4 }

B 3 = {(x, y) : y = x^2 } B 4 = {(x, y) : x > 2, 0 < y < 1 }

B 5 = {(x, y) : x = 0, 0 6 y 6 1 } B 6 = {(x, y) : |x| = 1, 0 6 y 6 1 }

B 7 = {(x, y) : |x| < 1, |y| < 1 } B 8 = {(x, y) : |x| < 1, |y| < 1, (x, y) 6 = (0, 0)}

(*) B 9 = {(x, y) : x e y sono numeri interi} B 10 = {(x, y) : |xy| > 0 }

(Nota: i primi 8 sono quelli del precedente file di esercizi)

2. Spiegare perch´e il seguente problema:

min x^3 − 3 xy^2 + 6 y soggetto a x^2 + y^2 < 1

sicuramente non ha soluzioni.

3. Spiegare perch´e il seguente problema:

max

e−x

(^4) +xy

+ log(x^4 + y^2 + 1 )

soggetto a 0 6 x 6 1, 0 6 y 6 x

sicuramente ha soluzione.

4. Per ognuna delle seguenti forme quadratiche, calcolare gradiente e matrice Hessia-

na, determinare i punti stazionari e dire se (0, 0) e un punto di minimo (su` R^2 ), di

massimo, o nessuna delle due.

f 1 (x, y) = 4 x^2 − 2 y^2 + xy f 2 (x, y) = x^2 + 5 y^2 + 4 xy

f 3 (x, y) = 4 xy − 4 x^2 − y^2 f 4 (x, y) = ( 3 x + y)(x − y)

f 5 (x, y) = x^2 − xy f 6 (x, y) = 8 xy

5. Per quali valori di k ∈ R , se ne esistono, la forma quadratica

f (x, y) = kx^2 + 4 ky^2 − 2 xy

ha (0, 0) come punto di minimo?

6. (*) Trattando separatamente i punti interni a S dai punti sulla frontiera, risolvere:

min x^2 + y^2 + xy − 2 x − 2 y soggetto a 0 6 x 6 1, 0 6 y 6 1

e il relativo problema di massimo.

SOLUZIONI

  1. • B 1 : aperto, non limitato (semipiano sotto la retta y = x, senza la frontiera)
    • B 2 : aperto, limitato (disco aperto centrato in (0, 0) e di raggio 2)
    • B 3 : chiuso, non limitato (parabola: coincide con la sua frontiera)
    • B 4 : non chiuso n´e aperto, non limitato (rettangolo ”infinito”)
    • B 5 : chiuso, limitato (segmento verticale di estremi (0, 0) e (0, 1))
    • B 6 : chiuso, limitato (unione di due segmenti verticali: il primo di estremi (−1, 0) e (−1, 1), il secondo di estremi (1, 0) e (1, 1))
    • B 7 : aperto, limitato (quadrato di vertici (1, 1), (1, − 1 ), (−1, − 1 ), (−1, 1), senza i bordi)
    • B 8 : aperto, limitato (quadrato B 7 privato del punto (0, 0))
    • B 9 : chiuso (coincide con la sua frontiera), illimitato (griglia ”infinita”)
    • B 10 : aperto, illimitato (piano privato dei 4 assi: B 10 = {(x, y) : xy 6 = 0 })
  2. L’insieme S = {(x, y) : x^2 + y^2 < 1 } e aperto. Dunque, una soluzione al problema deve necessariamente essere un punto sta- ` zionario (non ci sono punti di frontiera). Calcoliamo

f (^) x′ = 3 x^2 − 3 y^2 f (^) y′ = − 6 xy + 6

e segue che un punto `e stazionario se e solo se

y = ±x xy = 1

Gli unici due punti stazionari sono dunque (−1, − 1 ) e (1, 1), nessuno dei quali `e in S. Dunque il problema minS f non ha soluzione.

  1. L’insieme S = {(x, y) : 0 6 x 6 1, 0 6 y 6 x} e il triangolo di vertici (0, 0), (1, 0), (1, 1), con i tre lati inclusi (tutte le disuguaglianze sono ” 6 ”). Dunquee un insieme chiuso e limitato. Essendo la funzione f continua (e definita su tutto R^2 , quindi in particolare su S), per il Teorema di Weierstrass concludiamo che il problema maxS f ha soluzione.
  2. Forma quadratica f = f 1. Gradiente e matrice Hessiana:

∇ f (x, y) =

8 x + y x − 4 y

H f (x, y) =

In particolare: a = 4, b = 1/2, c = −2. L’unico punto stazionario e (0, 0), che none n´e di massimo, n´e di minimo, in quanto a > 0 e c < 0. Forma quadratica f = f 2. Gradiente e matrice Hessiana:

∇ f (x, y) =

2 x + 4 y 4 x + 10 y

H f (x, y) =

valori:

f (0, y) = y^2 − 2 y 0 6 y 6 1 f (1, y) = y^2 − y − 1 0 6 y 6 1 f (x, 0) = x^2 − 2 x 0 6 x 6 1 f (x, 1) = x^2 − x − 1 0 6 x 6 1

Risolvendo il problema (in 1 variabile)

min y^2 − 2 y soggetto a 0 6 y 6 1

otteniamo y = 1, cui corrisponde il punto (0, 1). Risolvendo l’analogo problema di minimo sugli altri 3 lati del quadrato, otteniamo, rispettivamente, i punti: (1, 1/2), (1, 0) e (1/2, 1). Questi 4 punti, unitamente al punto stazionario (2/3, 2/3) sono i 5 candidati a risolvere il problema di minimo. Come osservato sopra, uno tra i 5 punti `e sicuramente una soluzione. Calcoliamo:

f (2/3, 2/3) = −

f (0, 1) = f (1, 0) = − 1 f (1, 1/2) = f (1/2, 1) = −

Essendo −4/3 < −5/4 < −1, concludiamo che la soluzione al problema di minimo `e il punto (2/3, 2/3).

Procedendo alla stessa maniera per il problema di massimo, ovvero risolvendo il problema

max y^2 − 2 y soggetto a 0 6 y 6 1

e gli analoghi 3 problemi sugli altri 3 lati del quadrato, otteniamo i candidati: (0, 0), (1, 0), (1, 1), (0, 1). Calcoliamo

f (0, 0) = 0 f (0, 1) = f (1, 0) = f (1, 1) = − 1

da cui concludiamo che la soluzione al problema di massimo `e (0, 0)