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File:Convex outcome set of a multi-objective optimization problem.gif

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Convex_outcome_set_of_a_multi-objective_optimization_problem.gif(360 × 392 pixel, dimensione del file: 906 KB, tipo MIME: image/gif, ciclico, 99 frame, 4,9 s)

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The weighted-sum approach minimizes function

where

such that

To have a convex outcome set, parameters and are set to the following values

Weights and are such that


Dettagli

Descrizione
English: Weighted-sum approach is an easy method used to solve multi-objective optimization problem. It consists in aggregating the different optimization functions in a single function. However, this method only allows to find the supported solutions of the problem (i.e. points on the convex hull of the objective set). This animation shows that when the outcome set is convex, all efficient solutions can be found.
Français : La méthode des sommes pondérées est une méthode simple pour résoudre des problèmes d'optimisation multi-objectif. Elle consiste à aggréger l'ensemble des fonctions dans une seule fonction avec différents poids. Toutefois, cette méthode permet uniquement de trouver les solutions supportées (càd les points non-dominés appartenant à l'enveloppe convexe de l'espace d'arrivée). Cette animation montre qu'il est possible d'identifier toutes les solutions efficaces lorsque l'espace d'arrivée est convexe.
Data
Fonte Opera propria
Autore Guillaume Jacquenot

Source code (MATLAB)

function MO_Animate(varargin)
% This function generates objective space images showing why
% sum-weighted optimizer can not find all non-dominated
% solutions for non convex objective spaces in multi-ojective
% optimization
%
% Guillaume JACQUENOT


if nargin == 0
    Simu = 'Convex';
    % Simu = 'NonConvex';
    save_pictures = true;
    interpreter = 'none';
end


switch Simu
    case 'NonConvex'
        a = 0.1;
        b = 3;
        stepX = 1/200;
        stepY = 1/200;
    case 'Convex'
        a = 0.2;
        b = 1;
        stepX = 1/200;
        stepY = 1/200;
end

[X,Y] = meshgrid( 0:stepX:1,-2:stepY:2);

F1 = X;
F2 = 1+Y.^2-X-a*sin(b*pi*X);

figure;
grid on;
hold on;
box on;
axis square;
set(gca,'xtick',0:0.2:1);
set(gca,'ytick',0:0.2:1);

Ttr = get(gca,'XTickLabel');
Ttr(1,:)='0.0';
Ttr(end,:)='1.0';
set(gca,'XTickLabel',[repmat(' ',size(Ttr,1),1) Ttr]);

Ttr = get(gca,'YTickLabel');
Ttr(1,:)='0.0';
Ttr(end,:)='1.0';
set(gca,'YTickLabel',[repmat(' ',size(Ttr,1),1) Ttr]);

if strcmp(interpreter,'none')
    xlabel('f1','Interpreter','none');
    ylabel('f2','Interpreter','none','rotation',0);
else
    xlabel('f_1','Interpreter','Tex');
    ylabel('f_2','Interpreter','Tex','rotation',0);
end

set(gcf,'Units','centimeters')
set(gcf,'OuterPosition',[3 3 3+6 3+6])
set(gcf,'PaperPositionMode','auto')

[minF2,minF2_index] = min(F2);
minF2_index = minF2_index + (0:numel(minF2_index)-1)*size(X,1);

O1 = F1(minF2_index)';
O2 = minF2';

[pF,Pareto]=prtp([O1,O2]);

fill([O1( Pareto);1],[O2( Pareto);1],repmat(0.95,1,3));

text(0.45,0.75,'Objective space');
text(0.1,0.9,'\leftarrow Optimal Pareto front','Interpreter','TeX');

plot(O1( Pareto),O2( Pareto),'k-','LineWidth',2);
plot(O1(~Pareto),O2(~Pareto),'.','color',[1 1 1]*0.8);
V1 = O1( Pareto); V1 = V1(end:-1:1);
V2 = O2( Pareto); V2 = V2(end:-1:1);

O1P = O1( Pareto);
O2P = O2( Pareto);

O1PC = [O1P;max(O1P)];
O2PC = [O2P;max(O2P)];
ConvH = convhull(O1PC,O2PC);
ConvH(ConvH==numel(O2PC))=[];
c = setdiff(1:numel(O1P), ConvH);

% Non convex
O1PNC = O1PC(c);

[temp, I1] = min(O1PNC);
[temp, I2] = max(O1PNC);

if ~isempty(I1) && ~isempty(I2)
    plot(O1PC(c),O2PC(c),'-','color',[1 1 1]*0.7,'LineWidth',2);
end

p1 = (V2(1)-V2(2))/(V1(1)-V1(2));
hp = plot([0 1],[p1*(-V1(1))+V2(1) p1*(1-V1(1))+V2(1)]);
delete(hp);


Histo_X = [];
Histo_Y = [];
coeff = 0.02;
Sq1 = coeff *[0 1 1 0 0;0 0 1 1 0];
compt = 1;
for i = 2:1:length(V1)-1
    if ismember(i,ConvH)
        p1 = (V2(i+1)-V2(i-1))/(V1(i+1)-V1(i-1));
        x_inter = 1/(1+p1^2)*(p1^2*V1(i)-p1*V2(i));
        hp1 = plot([0 1],[p1*(-V1(i))+V2(i) p1*(1-V1(i))+V2(i)],'k');
        % hp2 = plot([x_inter],[-x_inter/p1],'k','Marker','.','MarkerSize',8)
        hp3 = plot([0 x_inter],[0 -x_inter/p1],'k-');
        hp4 = plot([x_inter 1],[-x_inter/p1 -1/p1],'k--');
        hp5 = plot(V1(i),V2(i),'ko','MarkerSize',10);

        % Plot the square for perpendicular lines
        alpha = atan(-1/p1);
        Mrot = [cos(alpha) -sin(alpha);sin(alpha) cos(alpha)];
        Sq_plot = repmat([x_inter;-x_inter/p1],1,5) + Mrot * Sq1;
        hp7 = plot(Sq_plot(1,:),Sq_plot(2,:),'k-');

        Histo_X = [Histo_X V1(i)];
        Histo_Y = [Histo_Y V2(i)];
        hp6 = plot(Histo_X,Histo_Y,'k.','MarkerSize',10);

        w1 = p1/(p1-1);
        w2 = 1-w1;
        Fweight_sum = V1(i)*w1+w2*V2(i);
        Fweight_sum = floor(1e3*Fweight_sum )/1e3;

        w1 = floor(1000*w1)/1e3;
        str1 = sprintf('%.3f',w1);
        str2 = sprintf('%.3f',1-w1);
        str3 = sprintf('%.3f',Fweight_sum);
        if (strcmp(str1,'0.500')||strcmp(str1,'0,500')) && strcmp(Simu,'NonConvex')
            disp('Two solutions');
        end
        title(['\omega_1 = ' str1 '  &  \omega_2 = ' str2 '  &  F = ' str3],'Interpreter','TeX');
        axis([0 1 0 1]);
        file = ['Frame' num2str(1000+compt)];
        if save_pictures
            saveas(gcf, file, 'epsc');
        end
        compt = compt +1;
        pause(0.001);
        delete(hp1);
        delete(hp3);
        delete(hp4);
        delete(hp5);
        delete(hp6);
        delete(hp7);
    end
end
disp(['Number of frames :' num2str(length(V1))]);
return;

function [A varargout]=prtp(B)
% Let Fi(X), i=1...n, are objective functions
% for minimization.
% A point X* is said to be Pareto optimal one
% if there is no X such that Fi(X)<=Fi(X*) for
% all i=1...n, with at least one strict inequality.
% A=prtp(B),
% B - m x n input matrix: B=
% [F1(X1) F2(X1) ... Fn(X1);
%  F1(X2) F2(X2) ... Fn(X2);
%  .......................
%  F1(Xm) F2(Xm) ... Fn(Xm)]
% A - an output matrix with rows which are Pareto
% points (rows) of input matrix B.
% [A,b]=prtp(B). b is a vector which contains serial
% numbers of matrix B Pareto points (rows).
% Example.
% B=[0 1 2; 1 2 3; 3 2 1; 4 0 2; 2 2 1;...
%    1 1 2; 2 1 1; 0 2 2];
% [A b]=prtp(B)
% A =
%      0     1     2
%      4     0     2
%      2     2     1
% b =
%      1     4     7
A=[]; varargout{1}=[];
sz1=size(B,1);
jj=0; kk(sz1)=0;
c(sz1,size(B,2))=0;
bb=c;
for k=1:sz1
    j=0;
    ak=B(k,:);
    for i=1:sz1
        if i~=k
            j=j+1;
            bb(j,:)=ak-B(i,:);
        end
    end
    if any(bb(1:j,:)'<0)
        jj=jj+1;
        c(jj,:)=ak;
        kk(jj)=k;
    end
end
if jj
  A=c(1:jj,:);
  varargout{1}=kk(1:jj);
else
  warning([mfilename ':w0'],...
    'There are no Pareto points. The result is an empty matrix.')
end
return;
 
Questo diagramma in GIF grafica è stato creato con MATLAB.

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attuale18:55, 8 mar 2009Miniatura della versione delle 18:55, 8 mar 2009360 × 392 (906 KB)Gjacquenot{{Information |Description={{en|1=Weighted-sum approach is an easy method used to solve multi-objective optimization problem. It consists in aggregating the different optimization functions in a single function. However, this method only allows to find th

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