Regularization of classical optimality conditions in optimization problems for linear Volterra-type systems with functional constraints

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

e consider the regularization of classical optimality conditions (COCs) — the Lagrange principle (LP) and the Pontryagin maximum principle (PMP) — in a convex optimal control problem with functional constraints such as equalities and inequalities. The controlled system is given by a linear functional-operator equation of the second kind of general form in the space L2m, the main operator on the right side of the equation is assumed to be quasi-nilpotent. The problem functional to be minimized is convex (probably not strongly). The regularization of the COCs in the non-iterative and iterative forms is based on the use of the methods of dual regularization and iterative dual regularization, respectively. Obtaining non-iterative regularized COCs uses two regularization parameters, one of which is “responsible” for the regularization of the dual problem, the other is contained in a strongly convex regularizing Tikhonov addition to the objective functional of the original problem, thereby ensuring the correctness of the problem of minimizing the Lagrange function. The main purpose of regularized LP and PMP is the stable generation of minimizing approximate solutions (MASs) in the sense of J. Warga. Regularized COCs: 1) are formulated as existence theorems for MASs in the original problem with simultaneous constructive representation of specific MASs; 2) are sequential generalizations of classical analogues — their limiting variants and preserve the general structure of the latter; 3) “overcome” the ill-posedness properties of the COCs and give regularizing algorithms for solving optimization problems. Illustrating examples are considered: the problem of optimal control for the equation with delay, the problem of optimal control for the integrodifferential equation of the type of transport equation.

About the authors

Vladimir I. Sumin

Derzhavin Tambov State University; Lobachevskii Nizhnii Novgorod State University

Author for correspondence.
Email: v_sumin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7479-2181

Doctor of Physics and Mathematics, Professor

Russian Federation, 33 Internatsionalnaya St., Tambov 392000, Russian Federation; 23 Gagarin Ave., Nizhnii Novgorod 603950, Russian Federation

Mikhail I. Sumin

Derzhavin Tambov State University; Lobachevskii Nizhnii Novgorod State University

Email: m.sumin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3700-6428

Doctor of Physics and Mathematics, Chief Researcher; Professor

Russian Federation, 33 Internatsionalnaya St., Tambov 392000, Russian Federation; 23 Gagarin Ave., Nizhnii Novgorod 603950, Russian Federation

References

  1. V.M. Alekseev, V.M. Tikhomirov, S. V. Fomin, Optimal control, Plenum Press, New York, 1987.
  2. E.R. Avakov, G.G. Magaril-Il’yaev, V.M. Tikhomirov, “Lagrange’s principle in extremum problems with constraints”, Russian Math. Surveys, 68:3 (2013), 401–433.
  3. A.V. Arutyunov, G.G. Magaril-Il‘yaev, V.M. Tikhomirov, Pontryagin’s Maximum Principle. Proof and Applications, Faktorial Press Publ., Moscow, 2006 (In Russian).
  4. R.V. Gamkrelidze, “History of the Discovery of the Pontryagin Maximum Principle”, Proceedings of the Steklov Institute of Mathematics, 304 (2019), 1–7.
  5. Ill posed Problems in the Natural Science, Advances in science and technology in the USSR . Mathematics and mechanics series, eds. A.N. Tikhonov, A.V. Goncharskii, Mir Publ., Moscow, 1989.
  6. F.P. Vasil’ev, Optimization Methods: In 2 books, MCCME, Moscow, 2011 (In Russian).
  7. M.I. Sumin, “Regularized Lagrange principle and Pontryagin maximum principle in optimal control and in inverse problems”, Trudy Inst. Mat. Mekh. UrO RAN, 25, 2019, 279–296 (In Russian).
  8. M.I. Sumin, “Lagrange principle and its regularization as a theoretical basis of stable solving optimal control and inverse problems”, Vestnik rossiyskikh universitetov. Matematika = Russian Universities Reports. Mathematics, 26:134 (2021), 151–171 (In Russian).
  9. M.I. Sumin, “On ill-posed problems, extremals of the Tikhonov functional and the regularized Lagrange principles”, Vestnik rossiyskikh universitetov. Matematika = Russian Universities Reports. Mathematics, 27:137 (2022), 58–79 (In Russian).
  10. V.I. Sumin, M.I. Sumin, “Regularized classical optimality conditions in iterative form for convex optimization problems for distributed Volterra-type systems”, Vestnik Udmurtskogo universiteta. Matematika. Mekhanika. Komp‘yuternye nauki, 31:2 (2021), 265—284 (In Russian).
  11. V.I. Sumin, M.I. Sumin, “Regularization of the classical optimality conditions in optimal control problems for linear distributed systems of Volterra type”, Comput. Math. Math. Phys., 62:1 (2022), 42–65.
  12. V.I. Sumin, Functional Volterra Equations in the Theory of Optimal Control of Distributed Systems, Izd-vo Nizhegorodskogo Gosuniversiteta, Nizhnii Novgorod, 1992 (In Russian).
  13. V.I. Sumin, A.V. Chernov, “Operators in the spaces of measurable functions: the Volterra property and quasinilpotency”, Differ. Equ., 34:10 (1998), 1403–1411.
  14. I.Ts. Gokhberg, M.G. Krein, Theory and Applications of Volterra Operators in Hilbert Space, American Mathematical Society, Providence, 1970.
  15. V.I. Sumin, “Volterra functional-operator equations in the theory of the optimal control of distributed systems”, Sov. Math., Dokl., 39:2 (1989), 374–378.
  16. V.I. Sumin, “Controlled Volterra functional equations and the contraction mapping principle”, Trudy Inst. Mat. Mekh. UrO RAN, 25:1 (2019), 262–278 (In Russian).
  17. M.I. Sumin, “Regularized parametric Kuhn–Tucker theorem in a Hilbert space”, Comput. Math. Math. Phys., 51:9 (2011), 1489–1509.
  18. M.I. Sumin, “Stable sequential convex programming in a Hilbert space and its application for solving unstable problems”, Comput. Math. Math. Phys., 54:1 (2014), 22–44.
  19. J. Warga, Optimal Control of Differential and Functional Equations, Academic Press, New York, 1972.
  20. M.I. Sumin, Incorrect Problems and Methods for Solving Them. Materials for Lectures for Students Senior Students, Publishing House of Nizhny Novgorod State University, Nizhny Novgorod, 2009 (In Russian).
  21. M.I. Sumin, “Duality-based regularization in a linear convex mathematical programming problem”, Comput. Math. Math. Phys., 47:4 (2007), 579–600.
  22. M.I. Sumin, “On regularization of the classical optimality conditions in convex optimal control problems”, Trudy Inst. Mat. Mekh. UrO RAN, 26:2 (2020), 252–269 (In Russian).
  23. A.B. Bakushinsky, A.V. Goncharsky, Incorrect Tasks. Numerical Methods and Applications, Moscow University Publishing House, Moscow, 1989 (In Russian).
  24. A.V. Dmitruk, Convex Analysis. Elementary Introductory Course: Textbook, Publishing department of the Faculty of Computer Science and Technology of Moscow State University; MAX Press, Moscow, 2012 (In Russian).
  25. K. Jorgens, “An asymptotic expansion in the theory of neutron transport”, Comm. Pure Appl. Math., 11:2 (1958), 219–242.
  26. S.F. Morozov, “Non-stationary integro-differential transport equation”, Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Mat., 1969, №1, 26–31 (In Russian).
  27. Yu.A. Kuznetsov, S.F. Morozov, “Correctness of the mixed problem statement for the nonstationary transport equation”, Differ. Uravn., 8:9 (1972), 1639–1648 (In Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».