Em um problema de natureza hierárquica, o nível mais influente toma certas decisões que afetam o comportamento dos níveis inferiores. Cada decisão do nível mais influente é considerada como fixa pelos níveis inferiores, que, com tais informações, tomam decisões que maximizam seus objetivos. Essas decisões podem influenciar os resultados obtidos pelo nível superior, que, por sua vez, também anseia pela decisão ótima. Em programação matemática, este problema é modelado como um problema de programação em níveis. Neste trabalho, consideramos uma classe particular de problemas de programação em níveis: os problemas de programação matemática em dois níveis. Estudamos uma técnica de resolução que consiste em substituir o problema do nível inferior por suas condições necessárias de primeira ordem, que podem ser formuladas de diversas maneiras, conforme as restrições de complementaridade são modificadas. O novo problema torna-se um problema de programação não linear e pode ser resolvido com algoritmos clássicos de otimização. Com o auxílio de condições de otimalidade de primeira e segunda ordem mostramos as relações entre o problema original e o problema reformulado. Aplicamos a técnica a problemas encontrados na literatura, analisamos o seu comportamento e apresentamos estratégias para eliminar certos inconvenientes encontrados. / In problems of hierarchical nature, the choices made by the most influential level - the so-called leader - affect the behavior of the lower levels. For each one of the leader\'s decisions there is a response from the lower levels, which maximizes the value of their respective objectives. These optimal choices, in return, may have influence in the results achieved by the leader, which also wants to make the optimal choices. In mathematical programming, this kind of problem is described as a multilevel programming problem. The present work considers a specific kind of multilevel problem: the bilevel mathematical problem. We study a resolution technique which consists in replacing the lower level problem by its necessary first order conditions, which can be formulated in various ways, as complementarity constraints occur and are modified. The new reformulated problem is a nonlinear programming problem which can be solved by classical optimization methods. Using first and second order optimality conditions, we show the relations between the original bilevel problem and the reformulated problem. We apply the described technique to solve a set of bilevel problems taken from the literature, analyse their behavior and discuss strategies to prevent undesirable difficulties that may arise.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-09-04T12:20:42Z No. of bitstreams: 1 erickmariodonascimentooliveira.pdf: 3492871 bytes, checksum: 845fa85f6d95efe2e7ad13563f342bc3 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-09-04T13:21:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 erickmariodonascimentooliveira.pdf: 3492871 bytes, checksum: 845fa85f6d95efe2e7ad13563f342bc3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-04T13:21:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 erickmariodonascimentooliveira.pdf: 3492871 bytes, checksum: 845fa85f6d95efe2e7ad13563f342bc3 (MD5) Previous issue date: 2018-06-26 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é apresentado o comportamento do algoritmo IED quando aplicado a problemas de programação em dois níveis. Para isso, o problema do seguidor é substituído pelas condições necessárias de primeira ordem de Karush-Kuhn-Tucker e, dessa maneira, o problema de programação em dois níveis é transformado em um problema de otimização com restrições não lineares. Dessa forma, as condições necessárias para utilização do algoritmo IED (Interior Epigraph Directions) são satisfeitas. Esse método tem como característica resolver problemas de otimização não convexa e não diferenciáveis via utilização da técnica de dualidade Lagrangiana, onde as funções de restrições são introduzidas na função objetivo para formar a função Lagrangiana. Além disso, o método considera o problema dual induzido por um esquema generalizado da dualidade Lagrangiana aumentada e obtém a solução primal produzindo uma sequência de pontos no interior do epígrafo da função dual. Dessa forma, o valor da função dual, em algum ponto do espaço dual, é dado pela minimização da Lagrangiana. Por fim, experimentos numéricos são apresentados em relação à utilização do algoritmo IED em problemas de programação em dois níveis encontrados na literatura. / This work presents the behavior of the IED algorithm when applied to bilevel programming problems. For this, the follower problem is replaced by the first-order necessary Karush-Kuhn-Tucker’s conditions and thus, the problem of bilevel programming turns into an optimization problem with non-linear constraints. Thus, the conditions required for use of the IED (Interior Epigraph Directions) algorithm are satisfied. This method has the characteristic of solving non-convex and non-differentiable optimization problems using the Lagrangian duality technique, where the constraint functions are introduced into the objective function for formulation of the Lagrangian. Furthermore, the method considers the dual problem induced by a generalized scheme of augmented Lagrangian duality and obtains the primal solution by producing a sequence of points inside the dual function epigraph. Then the value of the dual function, at some point in the dual space, is given by Lagrangian minimization. Finally, numerical experiments are presented showing the use of the IED algorithm in bilevel programming problems found in the literature.

Em um problema de natureza hierárquica, o nível mais influente toma certas decisões que afetam o comportamento dos níveis inferiores. Cada decisão do nível mais influente é considerada como fixa pelos níveis inferiores, que, com tais informações, tomam decisões que maximizam seus objetivos. Essas decisões podem influenciar os resultados obtidos pelo nível superior, que, por sua vez, também anseia pela decisão ótima. Em programação matemática, este problema é modelado como um problema de programação em níveis. Neste trabalho, consideramos uma classe particular de problemas de programação em níveis: os problemas de programação matemática em dois níveis. Estudamos uma técnica de resolução que consiste em substituir o problema do nível inferior por suas condições necessárias de primeira ordem, que podem ser formuladas de diversas maneiras, conforme as restrições de complementaridade são modificadas. O novo problema torna-se um problema de programação não linear e pode ser resolvido com algoritmos clássicos de otimização. Com o auxílio de condições de otimalidade de primeira e segunda ordem mostramos as relações entre o problema original e o problema reformulado. Aplicamos a técnica a problemas encontrados na literatura, analisamos o seu comportamento e apresentamos estratégias para eliminar certos inconvenientes encontrados. / In problems of hierarchical nature, the choices made by the most influential level - the so-called leader - affect the behavior of the lower levels. For each one of the leader\'s decisions there is a response from the lower levels, which maximizes the value of their respective objectives. These optimal choices, in return, may have influence in the results achieved by the leader, which also wants to make the optimal choices. In mathematical programming, this kind of problem is described as a multilevel programming problem. The present work considers a specific kind of multilevel problem: the bilevel mathematical problem. We study a resolution technique which consists in replacing the lower level problem by its necessary first order conditions, which can be formulated in various ways, as complementarity constraints occur and are modified. The new reformulated problem is a nonlinear programming problem which can be solved by classical optimization methods. Using first and second order optimality conditions, we show the relations between the original bilevel problem and the reformulated problem. We apply the described technique to solve a set of bilevel problems taken from the literature, analyse their behavior and discuss strategies to prevent undesirable difficulties that may arise.