连续变量动态规划例子

16.323讲课4 HJB 方程- 连续时间动态规划 - HJB 方程 - 连续LQR仿真描述：对于对称的Ru u2u uT T R R ∂=∂ uuR R ∂=∂连续时间DPz 已经分析了几个最小化的经典控制问题近似解：min (())((),(),)ft f t J h t g t t t dt =+∫x x u受约束于a(,,)t =xx u 0()t =x 给定值((),)0f f m t t =x()t ∈u U可能约束的集合z 前述方法在时间，状态和控制行为上是离散的- 易于在计算机上实现，但是现在考虑连续时间的精确解- 结果会是非线性偏微分方程叫作Hamilton-Jacobi-Bellman 方程（HJB ）- 一个重要的结果。

z 第一步：考虑区间[,]f t t 上的代价，有f tt ≤，其中对任何控制序列()τu ，f t t τ≤≤((),())((),)((),(),)ft f f tJ t h t t g d τττττ=+∫x u x x u- 显然目标就是挑选()τu ，f tt τ≤≤最小化代价。

*()((),)min ((),,())fu t t J t t J t t τττ∈≤≤=u x x uz 方法：- 把时间区间[,]f t t 拆分为[,]t t t +Δ和[,]f t t t +Δ，而且特别感兴趣的情况是0tΔ→- 确定最优的代价函数*((),)J t t t t +Δ+Δx- 确定时间[,]t t t +Δ内的“阶段代价” - 从t 开始找到最佳的策略 - 在HJB 方程里处理{}*()((),)min ((),)((),(),)fft f f tu t t J t t h t t g d ττττττ∈≤≤=+∫u x x x u{}()min ((),)(,,)(,,)fft tt f f tt tu t t h t t g d g d ττττττ+Δ+Δ∈≤≤=++∫∫u x x u x uz 潜在的含义是在时刻t t +Δ，系统将在状态()t t +Δx 。

动态规划算法的详细原理及使用案例一、引言动态规划是一种求解最优化问题的算法，它具有广泛的应用领域，如机器学习、图像处理、自然语言处理等。

本文将详细介绍动态规划算法的原理，并提供一些使用案例，以帮助读者理解和应用这一算法的具体过程。

二、动态规划的基本原理动态规划算法通过将问题分解为多个子问题，并利用已解决子问题的解来求解更大规模的问题。

其核心思想是利用存储技术来避免重复计算，从而大大提高计算效率。

具体来说，动态规划算法通常包含以下步骤：1. 定义子问题：将原问题分解为若干个子问题，这些子问题具有相同的结构，但规模更小。

这种分解可以通过递归的方式进行。

2. 定义状态：确定每个子问题的独立变量，即问题的状态。

状态具有明确的定义和可计算的表达式。

3. 确定状态转移方程：根据子问题之间的关系，建立状态之间的转移方程。

这个方程可以是简单的递推关系式、递归方程或其他形式的方程。

4. 解决问题：使用递推或其他方法，根据状态转移方程求解每个子问题，直到获得最终解。

三、动态规划的使用案例1. 背包问题背包问题是动态规划算法的经典案例之一。

假设有一个背包，它能容纳一定重量的物品，每个物品有对应的价值。

目的是在不超过背包总重量的前提下，选取最有价值的物品装入背包。

这个问题可以通过动态规划算法来求解。

具体步骤如下：（1）定义问题：在不超过背包容量的限制下，选取物品使得总价值最大化。

（2）定义状态：令dp[i][j]表示将前i个物品放入容量为j的背包中所能获得的最大价值。

（3）状态转移方程：dp[i][j] = max(dp[i-1][j-w[i]]+v[i], dp[i-1][j])，其中w[i]为第i个物品的重量，v[i]为第i个物品的价值。

（4）解决问题：根据状态转移方程依次计算每个子问题的解，并记录最优解，直到获得最终答案。

2. 最长公共子序列最长公共子序列（Longest Common Subsequence，简称LCS）是一种经典的动态规划问题，它用于确定两个字符串中最长的共同子序列。

动态规划算法的常见实例动态规划算法是一种将复杂问题分解为简单子问题来解决的算法，它可被应用于多个领域中，如经济学、生物学、计算机科学等。

在本文中，我们将详细讨论动态规划算法的常见实例。

一、最长公共子序列问题最长公共子序列（LCS）问题是一个经典的计算机科学问题，它要求在两个字符串中找到最长的相同连续子序列。

例如，对于字符串“ABCD”和“ACDF”，最长公共子序列为“ACD”。

使用动态规划方法来解决LCS问题。

首先定义一个m行n列的二维矩阵，其中m和n分别表示两个字符串的长度。

然后，使用以下递推关系：1. 如果一个字符串的长度为0，LCS为0。

2. 如果两个字符不相同，则LCS为它们的前一个字符集合和它们的后一个字符集合的最大值。

3. 如果两个字符相同，则LCS为它们的前一个字符集合和它们的后一个字符集合所组成的子序列中的最大值加1。

最后，矩阵右下角的值就是LCS的长度。

二、背包问题背包问题（Knapsack problem）是一个经典的组合优化问题，被广泛应用于计算机科学和其他领域。

在一个决策者必须决定是否将某些物品放入背包中的场景中，背包问题就发挥了作用。

具体来说，我们要解决的问题是：对于一个固定容量的背包，有一些物品，它们的重量和价值都不同，如何在不超过背包容量的前提下，使所装载物品的总价值最大化。

一种解决方案是使用动态规划方法。

定义一个二维数组，其行表示物品，列表示背包大小。

然后，使用以下递推关系：1. 如果所考虑的物品重量大于背包容量，则不选此物品。

2. 否则，在选取该物品和不选该物品两种情况中选择最优解作为最终结果。

最后，矩阵中右下角的值就是最大的总价值。

三、矩阵链乘法矩阵链乘法是一种计算矩阵乘积的优化算法。

它使用动态规划算法来确定矩阵乘积的最小值。

对于一个长度为n的矩阵链，我们可以定义一个n×n 的矩阵M，其中第i行第j列的元素Mi，j表示第i个矩阵与第j个矩阵相乘的最小次数。

动态规划与随机控制1953年，R . Bellman 等人，根据某类多阶段序贯决策问题的特点，提出了著名的“最优性原理”。

在这个原理的指导下，他将此类多阶段决策问题转变为一系列的互相联系的单阶段决策问题，然后，逐个阶段予以解决，最后再形成总体解决。

从而创建了求解优化问题的新方法——动态规划。

1957年，他的名著《动态规划》出版。

1.离散型动态规划离散型确定性动态规划在解决美式期权问题时，我们通常采用倒向递推的方法来比较即时执行价格与继续持有价格。

这是利用动态规划原理的一个典型例子。

Richard Bellman在1953年首次提出动态规划原理.最优化原理：无论过去的状态和决策如何，相对于前面的决策侧所形成的的状态而言，余下的决策序列必然构成最优子策略.求解最短路径问题：来看下面一个具体的例子：我们要求从Q点到T点的最短路径其基本思想是分阶段求出各段到T点的最短路径：•Ⅳ：C1—T 3•Ⅲ --Ⅳ : B1—C1—T 4•Ⅱ--Ⅲ--Ⅳ：A2—B1—C1—T 7•Ⅰ--Ⅱ--Ⅲ --Ⅳ：•Q—A2—B1—C1—T 11•Q--A3—B1—C1—T 11•Q--A3—B2—C2—T 11从以上分析可以看出最短路径不唯一。

最短路径解的特点•1、可以将全过程求解分为若干阶段求解；------多阶段决策问题•2、在全过程最短路径中，将会出现阶段的最优路径；-----递推性•3、前面的终点确定，后面的路径也就确定了，且与前面的路径（如何找到的这个终点）无关；-----无后效性•3、逐段地求解最优路径，势必会找到一个全过程最优路径。

-----动态规划离散型不确定性动态规划离散型不确定性动态规划的特点就是每一阶段的决策不是确定的，是一个随机变量，带有一定的随机性，因此处理起来就相对复杂些。

一个动态规划的经典问题：你打算与一个你遇到的最富有的人结婚，你的最优策略是什么？这里做几点基本的假设：1、如果碰到满足你要求的人，他无条件接受；2、有个人供你选择；N 3、每个备选对象的财富值都服从[0, 1].区间上的均匀分布;那么你要找具有最大期望财富值的结婚对象的最优策略是什么?这是一个看似简单但是很难解决的问题.通常的方法是顺序递推法，如果首先考虑碰到第一个人的财富，接着考虑碰到下一个人的财富值与第一个人的财富值进行比较，依次进行下去，但是你期望下一个对象的财富值的确定是一个很复杂的问题，并且很难进行比较.因此这里我们考虑倒向递推的方法进行计算，我们首先逆向考虑一个简单的问题就是假如你只面对2个人的情况，当你只碰到倒数第一个人时，我们认为他的财富期望值为0.5，我们知道，你将选择与倒数第二个对象结婚时只有在他的财富值大于0.5的情况下，否则你将与倒数第一个对象结婚。

第10章05动态规划的应用——设备负荷问题同学们，大家好，今天我们继续来学习动态规划的应用，下面我们通过例10-6来看资源分配问题，它是一个典型的连续型的多阶段决策问题。

例10-6某种机器可在高低两种不同的负荷下进行生产，设机器在高负荷下生产的产量函数为u h 8=，其中u 为投入生产的机器数量，年终机器的完好率为7.0=α；在低负荷下生产的产量为v l 5=，其中v 为投入生产的机器数量，年终机器的完好率为9.0=β，假定开始生产时完好的机器数量为1000=s 台，试问每年年初应如何安排机器在高、低两种负荷下生产，使在第5年年末完好的机器数量5006=s 台，并且5年内生产的总产量最高。

某种机器可在高低两种不同的负荷下进行生产，高负荷时的产量高，但年终的机器完好率就低；低负荷时的产量低，但是年终的机器完好率就高。

开始时有1000台机器，问应如何安排机器在高、低两种负荷下生产，使得第5年年末完好的机器数量为500的条件下，5年内生产的总产量最高。

我们用动态规划来解决这个问题，即我们先建立动态规划的数学模型，然后进行求解。

（1）划分阶段。

这个问题中有5年，所以我们划分为五个阶段，即k=1,2,3,4,5，其中，第k 个阶段决策第k 年进行高、低负荷生产的机器的数量。

（2）定义状态变量s k ：第k 年初完好的机器数。

显然s 1=1000，即刚开始时有1000台机器，s 6=500，即第5年末有500台完好的机器。

（3）定义决策变量u k ：第k 年进行高负荷生产的机器的数量；所以，第k 年进行低负荷生产的机器的数量v k =s k −u k 。

（4）状态转移方程。

有了状态变量和决策变量后，我们可以写出状态转移方程。

第k+1年初完好的机器数s k+1=0.7u k +0.9v k =0.7u k +0.9(s k −u k )。

1160.70.90.70.9(),1,2,3,4,51000500++ k k k k k k s u v u s u k s s +==-=⎧⎪=⎨⎪=⎩（5）定义阶段指标函数g k (s k ,u k )：第k 年初完好的机器数为s k 且进行高负荷生产的机器数为u k 时，第k 年的收益。