Rigorous techniques for continuous constraint satisfaction problems

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit rigorosen Techniken für das Lösen kontinuierlicher Zulässigkeitsprobleme. Das heißt, wir suchen nach einem oder allen Punkte, genannt zulässige Punkte, die eine Familie von Gleichungen und/oder Ungleichungen erfüllen, die wir im Weiteren Nebenbedingungen nennen werden. Zahlreiche Anwendungen führen auf kontinuierliche Zulässigkeitsprobleme. Neue und bereits existierende moderne Methoden werden präsentiert und integriert in GloptLab, eine neue, leicht bedienbare Test- und Entwicklungsplattform zum Lösen quadratischer Zulässigkeitsprobleme. Der Lösungsalgorithmus beruht auf dem Grundprinzip von Branch-and-Prune und auf Filterung. Filterungsmethoden dienen zur Verkleinerung/Reduktion einer Box, definiert als das kartesische Produkt der Intervalle, die die Schranken an die Variablen festlegen. Um den Verlust zulässiger Punkte zu vermeiden, werden alle Fehlerabschätzungen rigoros mittels Intervallarithmetik und gerichteter Rundung durchgeführt. Das stellt sicher, dass alle Rechnungen auch in Gleitkommaarithmetik gültig sind. In der Doktorarbeit werden die folgenden Themen diskutiert: der mathematische Hintergrund, Algorithmen und Tests für Constraint-Propagation, strikt konvexe Einschließungen, lineare Relaxationen, das Berechnen, korrekte Benutzen und Verifizieren approximativ zulässiger Punkte, optimale Skalierung und diverse Hilfsmethoden. Insbesondere: - Constraint-Propagation basiert auf einer Folge von Schritten, die jeweils eine einzelne Nebenbedingung verwenden. Traditionelle Techniken werden durch eine spezielle quadratische Methode erweitert, die neue Verfahren für die Eliminierung bilinearer Einträge und für das Berechnen optimaler Einschließungen für separable quadratische Ausdrücke verwendet. - Eine quadratische Ungleichungsnebenbedingung, die eine positiv definite Hesse-Matrix besitzt, definiert ein Ellipsoid. Eine spezielle rundungsfehlerkontrollierte Version der Cholesky-Zerlegung wird verwendet, um die strikt konvexe quadratische Nebenbedingungen in Norm-Ungleichungen zu transformieren. Für diese ist es dann einfach, die Intervall-Hülle analytisch zu bestimmen. - Diverse Methoden für die Erzeugung linearer Relaxationen werden diskutiert, kombiniert und erweitert. Teilweise verbesserte, existierende und neue Verfahren für das rigorose Einschließen der Lösungsmenge linearer Systeme werden präsentiert. - Eine Vielzahl von Beispielen demonstrieren, dass die präsentierten Verfahren einander ergänzen. Außerdem zeigen sie, wie man Lösungsstrategien entwickelt, die Zulässigkeitsprobleme global und effizient lösen.