В задаче безусловной оптимизации отсутствуют ограничения.

Напомним, что градиентом многомерной функции называют вектор, который аналитически выражается геометрической суммой частных производных

Градиент скалярной функции F (X ) в некоторой точке направлен в сторону наискорейшего возрастания функции и ортогонален линии уровня (поверхности постоянного значения F (X ), проходящей через точку X k ). Вектор, противоположный градиенту  антиградиент  направлен в сторону наискорейшего убывания функции F (X ). В точке экстремума grad F (X )= 0.

В градиентных методах движение точки при поиске минимума целевой функции описывается итерационной формулой

где  k  параметр шага на k -й итерации вдоль антиградиента. Для методов восхождения (поиска максимума) нужно двигаться по градиенту.

Различные варианты градиентных методов отличаются друг от друга способом выбора параметра шага, а также учета направления движения на предыдущем шаге . Рассмотрим следующие варианты градиентных методов: с постоянным шагом, с переменным параметром шага (дроблением шага), метод наискорейшего спуска и метод сопряженных градиентов.

Метод с постоянным параметром шага. В этом методе параметр шага постоянен на каждой итерации. Возникает вопрос: как практически выбрать величину параметра шага? Достаточно малый параметр шага может привести к неприемлемо большому количеству итераций, необходимых для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой параметр шага может привести к проскакиванию точки минимума и к колебательному вычислительному процессу около этой точки. Указанные обстоятельства являются недостатками метода. Поскольку невозможно заранее угадать приемлемое значение параметра шага  k , то возникает необходимость использования градиентного метода с переменным параметром шага.

По мере приближения к оптимуму вектор градиента уменьшается по величине, стремясь к нулю, поэтому при  k = const длина шага постепенно уменьшается. Вблизи оптимума длина вектора градиента стремится к нулю. Длина вектора или норма в n -мерном евклидовом пространстве определяется по формуле

, где n  число переменных.

Варианты остановки процесса поиска оптимума:

C практической точки зрения удобней пользоваться 3-им критерием остановки (поскольку представляют интерес значения параметров проектирования), однако для определения близости точки экстремума нужно ориентироваться на 2-й критерий. Для остановки вычислительного процесса можно использовать несколько критериев.

Рассмотрим пример. Найти минимум целевой функции F (X ) = (x 1  2) 2 + (x 2  4) 2 . Точное решение задачи X*= (2,0;4,0). Выражения для частных производных

,
.

Выбираем шаг  k = 0,1. Осуществим поиск из начальной точки X 1 = . Решение представим в виде таблицы.

Градиентный метод с дроблением параметра шага. В этом случае в процессе оптимизации параметр шага  k уменьшается, если после очередного шага целевая функция возрастает (при поиске минимума). При этом часто длина шага дробится (делится) пополам, и шаг повторяется из предыдущей точки. Так обеспечивается более точный подход к точке экстремума.

Метод наискорейшего спуска. Методы с переменным шагом являются более экономичными с точки зрения количества итераций. В случае если оптимальная длина шага  k вдоль направления антиградиента является решением одномерной задачи минимизации, то такой метод называется методом наискорейшего спуска. В этом методе на каждой итерации решается задача одномерной минимизации:

F(X k+1 )=F(X k   k S k )=min F( k ), S k =  F(X);

 k >0

.

В данном методе движение в направлении антиградиента продолжается до достижения минимума целевой функции (пока значение целевой функции убывает). На примере рассмотрим, как аналитически может быть записана на каждом шаге целевая функция в зависимости от неизвестного параметра

Пример. min F (x 1 , x 2 ) = 2x 1 2 + 4x 2 3 – 3. Тогда  F (X )= [ 4x 1 ; 12x 2 2 ]. Пусть точка X k = , следовательно  F (X )= [ 8; 12], F (X k   S k ) =

2(2  8 ) 2 + 4(1  12 ) 3  3. Необходимо найти , доставляющее минимум данной функции.

Алгоритм метода наискорейшего спуска (для поиска минимума)

Начальный шаг . Пусть   константа остановки. Выбрать начальную точку X 1 , положить k = 1 и перейти к основному шагу.

Основной шаг . Если || gradF (X )||< , то закончить поиск, в противном случае определить  F (X k ) и найти  k  оптимальное решение задачи минимизации F (X k   k S k ) при  k  0. Положить X k +1 = X k   k S k , присвоить k =

k + 1 и повторить основной шаг.

Для поиска минимума функции одной переменной в методе наискорейшего спуска можно использовать методы унимодальной оптимизации. Из большой группы методов рассмотрим метод дихотомии (бисекции) и золотого сечения. Суть методов унимодальной оптимизации заключается в сужении интервала неопределенности размещения экстремума.

Метод дихотомии (бисекции) Начальный шаг. Выбирают константу различимости  и конечную длину интервала неопределенности l . Величина  должна быть по возможности меньшей, однако позволяющей различать значения функции F ( ) и F ( ) . Пусть [ a 1 , b 1 ]  начальный интервал неопределенности. Положить k =

Основной этап состоит из конечного числа однотипных итераций.

k-я итерация.

Шаг 1. Если b k  a k  l , то вычисления заканчиваются. Решение x * = (a k + b k )/2. В противном случае

,
.

Шаг 2. Если F ( k ) < F ( k ), положить a k +1 = a k ; b k +1 =  k . В противном случае a k +1 =  k и b k +1 = b k . Присвоить k = k + 1 и перейти к шагу 1.

Метод золотого сечения. Более эффективный метод, чем метод дихотомии. Позволяет получить заданную величину интервала неопределенности за меньшее число итераций и требует меньшего числа вычислений целевой функции. В этом методе новая точка деления интервала неопределенности вычисляется один раз. Новая точка ставится на расстоянии

 = 0,618034 от конца интервала.

Алгоритм метода золотого сечения

Начальный шаг. Выбрать допустимую конечную длину интервала неопределенности l > 0. Пусть [ a 1 , b 1 ]  начальный интервал неопределенности. Положить  1 = a 1 +(1   )(b 1  a 1 ) и  1 = a 1 +  (b 1  a 1 ) , где  = 0,618 . Вычислить F ( 1 ) и F ( 1 ) , положить k = 1 и перейти к основному этапу.

Шаг 1. Если b k  a k  l , то вычисления заканчиваются x * = (a k + b k )/ 2. В противном случае если F ( k ) > F ( k ) , то перейти к шагу 2; если F ( k )  F ( k ) , перейти к шагу 3.

Шаг 2. Положить a k +1 =  k , b k +1 = b k ,  k +1 =  k ,  k +1 = a k +1 +  (b k +1 – a k +1 ). Вычислить F ( k +1 ), перейти к шагу 4.

Шаг 3. Положить a k +1 = a k , b k +1 =  k ,  k +1 =  k ,  k +1 = a k +1 + (1   )(b k +1 – a k +1 ). Вычислить F ( k +1 ).

Шаг 4. Присвоить k = k + 1, перейти к шагу 1.

На первой итерации необходимы два вычисления функции, на всех последующих только одно.

Метод сопряженных градиентов (Флетчера-Ривса). В этом методе выбор направления движения на k + 1 шаге учитывает изменение направления на k шаге. Вектор направления спуска является линейной комбинацией направления антиградиента и предыдущего направления поиска. В этом случае при минимизации овражных функций (с узкими длинными впадинами) поиск идет не перпендикулярно оврагу, а вдоль него, что позволяет быстрее прийти к минимуму. Координаты точки при поиске экстремума методом сопряженных градиентов рассчитываются по выражению X k +1 = X k   V k +1 , где V k +1 – вектор, рассчитываемый по следующему выражению:

.

На первой итерации обычно полагается V = 0 и выполняется поиск по антиградиенту, как в методе наискорейшего спуска. Затем направление движения отклоняется от направления антиградиента тем больше, чем значительнее менялась длина вектора градиента на последней итерации. После n шагов для коррекции работы алгоритма делают обычный шаг по антиградиенту.

Алгоритм метода сопряженных градиентов

Шаг 1. Ввести начальную точку Х 0 , точность  , размерность n .

Шаг 2. Положить k = 1.

Шаг 3. Положить вектор V k = 0.

Шаг 4. Вычислить grad F (X k ).

Шаг 5. Вычислить вектор V k +1.

Шаг 6. Выполнить одномерный поиск по вектору V k +1.

Шаг 7. Если k < n , положить k = k + 1 и перейти к шагу 4, иначе к шагу 8.

Шаг 8. Если длина вектора V меньше , окончить поиск, иначе  перейти к шагу 2.

Метод сопряженных направлений является одним из наиболее эффективных в решении задач минимизации. Метод в совокупности с одномерным поиском часто практически используется в САПР. Однако следует отметить, что он чувствителен к ошибкам, возникающим в процессе счета.

Недостатки градиентных методов

В задачах с большим числом переменных трудно или невозможно получить производные в виде аналитических функций.

При вычислении производных по разностным схемам возникающая при этом ошибка, особенно в окрестностях экстремума, ограничивает возможности такой аппроксимации.

Также можно искать не наилучшую точку в направлении градиента, а какую-либо лучше текущей.

Наиболее простой в реализации из всех методов локальной оптимизации. Имеет довольно слабые условия сходимости, но при этом скорость сходимости достаточно мала (линейна). Шаг градиентного метода часто используется как часть других методов оптимизации, например, метод Флетчера - Ривса .

Описание [ | ]

Усовершенствования [ | ]

Метод градиентного спуска оказывается очень медленным при движении по оврагу, причём при увеличении числа переменных целевой функции такое поведение метода становится типичным. Для борьбы с этим явлением используется, суть которого очень проста. Сделав два шага градиентного спуска и получив три точки, третий шаг следует сделать в направлении вектора, соединяющего первую и третью точку, вдоль дна оврага.

Для функций, близких к квадратичным, эффективным является метод сопряжённых градиентов .

Применение в искусственных нейронных сетях [ | ]

Метод градиентного спуска с некоторой модификацией широко применяется для обучения перцептрона и в теории искусственных нейронных сетей известен как метод обратного распространения ошибки . При обучении нейросети типа «персептрон» требуется изменять весовые коэффициенты сети так, чтобы минимизировать среднюю ошибку на выходе нейронной сети при подаче на вход последовательности обучающих входных данных. Формально, чтобы сделать всего один шаг по методу градиентного спуска (сделать всего одно изменение параметров сети), необходимо подать на вход сети последовательно абсолютно весь набор обучающих данных, для каждого объекта обучающих данных вычислить ошибку и рассчитать необходимую коррекцию коэффициентов сети (но не делать эту коррекцию), и уже после подачи всех данных рассчитать сумму в корректировке каждого коэффициента сети (сумма градиентов) и произвести коррекцию коэффициентов «на один шаг». Очевидно, что при большом наборе обучающих данных алгоритм будет работать крайне медленно, поэтому на практике часто производят корректировку коэффициентов сети после каждого элемента обучения, где значение градиента аппроксимируются градиентом функции стоимости, вычисленном только на одном элементе обучения. Такой метод называют стохастическим градиентным спуском или оперативным градиентным спуском . Стохастический градиентный спуск является одной из форм стохастического приближения. Теория стохастических приближений даёт условия сходимости метода стохастического градиентного спуска.

Ссылки [ | ]

• J. Mathews. Module for Steepest Descent or Gradient Method. (недоступная ссылка)

Литература [ | ]

• Акулич И. Л. Математическое программирование в примерах и задачах. - М. : Высшая школа, 1986. - С. 298-310.
• Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация = Practical Optimization. - М. : Мир, 1985.
• Коршунов Ю. М., Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики. - М. : Энергоатомиздат, 1972.
• Максимов Ю. А., Филлиповская Е. А. Алгоритмы решения задач нелинейного программирования. - М. : МИФИ, 1982.
• Максимов Ю. А. Алгоритмы линейного и дискретного программирования. - М. : МИФИ, 1980.
• Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М. : Наука, 1970. - С. 575-576.
• С. Ю. Городецкий, В. А. Гришагин. Нелинейное программирование и многоэкстремальная оптимизация. - Нижний Новгород: Издательство Нижегородского Университета, 2007. - С. 357-363.

Лекция № 8

Градиентные методы решения задач нелинейного программирования. Методы штрафных функций. Приложения нелинейного программирования к задачам исследования операций.

Задачи без ограничений. Градиентным методом можно решать, вообще говоря, любую нелинейную задачу. Однако при этом находится лишь локальный экстремум. Поэтому целесообразнее применять этот метод при решении задач выпуклого программирования, в которых любой локальный экстремум, является одновременно и глобальным (см. теорему 7.6).

Будем рассматривать задачу максимизации нелинейной дифференцируемой функции f (x ). Суть градиентного поиска точки максимума х * весьма проста: надо взять произвольную точку х 0 и с помощью градиента , вычисленного в этой точке, определить направление, в котором f (х ) возрастает с наибольшей скоростью (рис. 7.4),

а затем, сделав небольшой шаг в найденном направлении, перейти в новую точку x i . Потом снова определить наилучшее направление для перехода в очередную точку х 2 и т. д. На рис. 7.4 поисковая траектория представляет собой ломаную х 0 , x 1 , х 2 ... Таким образом, надо построить последовательность точек х 0 , x 1 , х 2 ,...,x k , ... так, чтобы она сходилась к точке максимума х *, т. е. для точек последовательности выполнялись условия

Градиентные методы, как правило, позволяют получать точное решение за бесконечное число шагов и только в некоторых случаях - за конечное. В связи с этим градиентные методы относят к приближенным методам решения.

Движение из точки х k в новую точку x k+1 осуществляется по прямой, проходящей через точку х k и имеющей уравнение

(7.29)

где λ k - числовой параметр, от которого зависит величина шага. Как только значение параметра в уравнении (7.29) выбрано: λ k =λ k 0 , так становится определенной очередная точка на поисковой ломаной.

Градиентные методы отличаются друг от друга способом выбора величины шага - значения λ k 0 параметра λ k . Можно, например, двигаться из точки в точку с постоянным шагом λ k = λ, т. е. при любом k

Если при этом окажется, что , то следует возвратиться в точку и уменьшить значение параметра, например до λ /2.

Иногда величина шага берется пропорциональной модулю градиента.

Если ищется приближенное решение, то поиск можно прекратить, основываясь на следующих соображениях. После каждой серии из определенного числа шагов сравнивают достигнутые значения целевой функции f (x ). Если после очередной серии изменение f (x ) не превышает некоторого наперед заданного малого числа , поиск прекращают и достигнутое значение f (x ) рассматривают как искомый приближенный максимум, а соответствующее ему х принимают за х *.

Если целевая функция f (x ) вогнутая (выпуклая), то необходимым и достаточным условием оптимальности точки х * является равенство нулю градиента функции в этой точке.

Распространенным является вариант градиентного поиска, называемый методом наискорейшего подъема. Суть его в следующем. После определения градиента в точке х к движение вдоль прямой производится до точки х к+ 1 , в которой достигается максимальное значение функции f (х ) в направлении градиента . Затем в этой точке вновь определяется градиент, и движение совершается по прямой в направлении нового градиента до точки х к+ 2 , в которой достигается максимальное в этом направлении значение f (x ). Движение продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка х *, соответствующая наибольшему значению целевой функции f (x ). На рис. 7.5 приведена схема движения к оптимальной точке х * методом наискорейшего подъема. В данном случае направление градиента в точке х k является касательным к линии уровня поверхности f (х ) в точке х к+ 1 , следовательно, градиент в точкех к+ 1 ортогонален градиенту (сравните с рис. 7.4).

Перемещение из точки х k в точку сопровождается возрастанием функции f (x ) на величину

Из выражения (7.30) видно, что приращение является функцией переменной , т. е. . При нахождении максимума функции f (x) в направлении градиента ) необходимо выбирать шаг перемещения (множитель ), обеспечивающий наибольшее возрастание приращению функции, именно функции . Величина , при которой достигается наибольшее значение , может быть определена из необходимого условия экстремума функции :

(7.31)

Найдем выражение для производной, дифференцируя равенство (7.30) по как сложную функцию:

Подставляя этот результат в равенство (7.31), получаем

Это равенство имеет простое геометрическое истолкование: градиент в очередной точке х к+ 1 , ортогонален градиенту в предыдущей точке х к .

построены линии уровня этой поверхности. С этой целью уравнение приведено к виду (x 1 -1) 2 +(x 2 -2) 2 =5-0,5f , из которого ясно, что линиями пересечения параболоида с плоскостями, параллельными плоскости x 1 Оx 2 (линиями уровня), являются окружности радиусом . При f =-150, -100, -50 их радиусы равны соответственно , а общий центр находится в точке (1; 2). Находим градиент данной функции:

I шаг . Вычисляем:

На рис. 7.6 с началом в точке х 0 =(5; 10) построен вектор 1/16, указывающий направление наискорейшего возрастания функции в точке х 0 . На этом направлении расположена следующая точка . В этой точке .

Используя условие (7.32), получаем

или 1-4=0, откуда =1/4. Так как , то найденное значение является точкой максимума . Находим x 1 =(5-16/4; 10-32/4)=(1; 2).

II шаг . Начальная точка для второго шага x 1 =(1; 2). Вычисляем =(-4∙1 +4; -4∙2+8)=(0; 0). Следовательно, х 1 =(1; 2) является стационарной точкой. Но поскольку данная функция вогнутая, то в найденной точке (1; 2) достигается глобальный максимум.

Задача с линейными ограничениями. Сразу же отметим, что если целевая функция f (х ) в задаче с ограничениями имеет единственный экстремум и он находится внутри допустимой области, то для поиска экстремальной точки х * применяется изложенная выше методика без каких-либо изменений.

Рассмотрим задачу выпуклого программирования с линейными ограничениями:

(7.34)

Предполагается, что f (х ) является вогнутой функцией и имеет непрерывные частные производные в каждой точке допустимой области.

Начнем с геометрической иллюстрации процесса решения задачи (рис. 7.7). Пусть начальная точка х 0 расположена внутри допустимой области. Из точки х 0 можно двигаться в направлении градиента , пока f (x ) не достигнет максимума. В нашем случае f (x ) все время возрастает, поэтому остановиться надо в точке х , на граничной прямой. Как видно из рисунка, дальше двигаться в направлении градиента нельзя, так как выйдем из допустимой области. Поэтому надо найти другое направление перемещения, которое, с одной стороны, не выводит из допустимой области, а с другой - обеспечивает наибольшее возрастание f (x ). Такое направление определит вектор , составляющий с вектором наименьший острый угол по сравнению с любым другим вектором, выходящим из точки x i и лежащим в допустимой области. Аналитически такой вектор найдется из условия максимизации скалярного произведения . В данном случае вектор указывающий наивыгоднейшее направление, совпадает с граничной прямой.

Таким образом, на следующем шаге двигаться надо по граничной прямой до тех пор, пока возрастает f (x ); в нашем случае - до точки х 2 . Из рисунка видно, что далее следует перемещаться в направлении вектора , который находится из условия максимизации скалярного произведения , т. е. по граничной прямой. Движение заканчивается в точке х 3 , поскольку в этой точке завершается оптимизационный поиск, ибо в ней функция f (х ) имеет локальный максимум. Ввиду вогнутости в этой точке f (х ) достигает также глобального максимума в допустимой области. Градиент в точке максимума х 3 =х * составляет тупой угол с любым вектором из допустимой области, проходящим через х 3 , поэтому скалярное произведение будет отрицательным для любого допустимого r k , кроме r 3 , направленного по граничной прямой. Для него скалярное произведение =0, так как и взаимно перпендикулярны (граничная прямая касается линии уровня поверхности f (х ), проходящей через точку максимума х *). Это равенство и служит аналитическим признаком того, что в точке х 3 функция f (x ) достигла максимума.

Рассмотрим теперь аналитическое решение задачи (7.33) - (7.35). Если оптимизационный поиск начинается с точки, лежащей в допустимой области (все ограничения задачи выполняются как строгие неравенства), то перемещаться следует по направлению градиента так, как установлено выше. Однако теперь выбор λ k в уравнении (7.29) усложняется требованием, чтобы очередная точка оставалась в допустимой области. Это означает, что ее координаты должны удовлетворять ограничениям (7.34), (7.35), т. е. должны выполняться неравенства:

(7.36)

Решая систему линейных неравенств (7.36), находим отрезок допустимых значений параметра λ k , при которых точка х k +1 будет принадлежать допустимой области.

Значение λ k * , определяемое в результате решения уравнения (7.32):

При котором f (x ) имеет локальный максимум по λ k в направлении, должно принадлежать отрезку . Если же найденное значение λ k выходит за пределы указанного отрезка, то в качестве λ k * принимается . В этом случае очередная точка поисковой траектории оказывается на граничной гиперплоскости, соответствующей тому неравенству системы (7.36), по которому при решении системы получена правая конечная точка . отрезка допустимых значений параметра λ k .

Если оптимизационный поиск начат с точки, лежащей на граничной гиперплоскости, или очередная точка поисковой траектории оказалась на граничной гиперплоскости, то для продолжения движения к точке максимума прежде всего необходимо найти наилучшее направление движения С этой целью следует решить вспомогательную задачу математического программирования, а именно- максимизировать функцию

при ограничениях

для тех t , при которых

где .

В результате решения задачи (7.37) - (7.40) будет найден вектор , составляющий с градиентом наименьший острый угол.

Условие (7.39) говорит о том, что точка принадлежит границе допустимой области, а условие (7.38) означает, что перемещение из по вектору будет направлено внутрь допустимой области или по ее границе. Условие нормализации (7.40) необходимо для ограничения величины , так как в противном случае значение целевой функции (7.37) можно сделать сколь угодно большим Известны различные формы условий нормализации, и в зависимости от этого задача (7.37) - (7.40) может быть линейной или нелинейной.

После определения направления находится значение λ k * для следующей точки поисковой траектории. При этом используется необходимое условие экстремума в форме, аналогичной уравнению (7.32), но с заменой на вектор , т. е.

(7.41)

Оптимизационный поиск прекращается, когда достигнута точка x k * , в которой .

Пример 7.5. Максимизировать функцию при ограничениях

Решение. Для наглядного представления процесса оптимизации будем сопровождать его графической иллюстрацией. На рис 7.8 изображено несколько линий уровня данной поверхности и допустимая область ОАВС, в которой следует найти точку х *, доставляющую максимум данной функции (см. пример 7 4).

Начнем оптимизационный поиск, например с точки х 0 =(4, 2,5), лежащей на граничной прямой АВ x 1 +4x 2 =14. При этом f (х 0)=4,55.

Найдем значение градиента

в точке x 0 . Кроме того, и по рисунку видно, что через допустимую область проходят линии уровня с пометками более высокими, чем f (x 0)=4,55. Словом, надо искать направление r 0 =(r 01 , r 02) перемещения в следующую точку x 1 более близкую к оптимальной. С этой целью решаем задачу (7.37) - (7.40) максимизации функции при ограничениях

Поскольку точка х 0 располагается только на одной (первой) граничной прямой (i =1) x 1 +4x 2 =14, то условие (7.38) записывается в форме равенства.

Система ограничительных уравнений этой задачи имеет только два решения (-0,9700; 0,2425) и (0,9700;-0,2425) Непосредственной подстановкой их в функцию T 0 устанавливаем, что максимум Т 0 отличен от нуля и достигается при решении (-0,9700; 0,2425) Таким образом, перемещаться из х 0 нужно по направлению вектора r 0 =(0,9700; 0,2425), т е по граничной прямой ВА.

Для определения координат следующей точки x 1 =(x 11 ; x 12)

(7.42)

необходимо найти значение параметра , при котором функция f (x ) в точке x

откуда =2,0618. При этом =-0,3999<0. Значит,=2,0618. По формуле (7.42) находим координаты новой точки х 1 (2; 3).

Если продолжить оптимизационный поиск, то при решении очередной вспомогательной задачи (7.37)- (7.40) будет установлено, что Т 1 =, а это говорит о том, что точка x 1 является точкой максимума х* целевой функции в допустимой области. Это же видно и из рисунка в точке x 1 одна из линий уровня касается границы допустимой области. Следовательно, точка x 1 является точкой максимума х*. При этом f max =f (x *)=5,4.

Задача с нелинейными ограничениями. Если в задачах с линейными ограничениями движение по граничным прямым оказывается возможным и даже целесообразным, то при нелинейных ограничениях, определяющих выпуклую область, любое как угодно малое перемещение из граничной точки может сразу вывести за пределы области допустимых решений, и возникнет необходимость в возвращении в допустимую область (рис. 7.9). Подобная ситуация характерна для задач, в которых экстремум функции f (x ) достигается на границе области. В связи с этим применяются различные

способы перемещения, обеспечивающие построение последовательности точек, расположенных вблизи границы и внутри допустимой области, или зигзагообразное движение вдоль границы с пересечением последней. Как видно из рисунка, возврат из точки x 1 в допустимую область следует осуществлять вдоль градиента той граничной функции , которая оказалась нарушенной. Это обеспечит отклонение очередной точки х 2 в сторону точки экстремума х*. Признаком экстремума в подобном случае будет коллинеарность векторов и .

Градиентные методы

Градиентные методы безусловной оптимизации используют только первые производные целевой функции и являются методами линейной аппроксимации на каждом шаге, т.е. целевая функция на каждом шаге заменяется касательной гиперплоскостью к ее графику в текущей точке.

На k-м этапе градиентных методов переход из точки Xk в точку Xk+1 описывается соотношением:

где k - величина шага, k - вектор в направлении Xk+1-Xk.

Методы наискорейшего спуска

Впервые такой метод рассмотрел и применил еще О. Коши в XVIII в. Идея его проста: градиент целевой функции f(X) в любой точке есть вектор в направлении наибольшего возрастания значения функции. Следовательно, антиградиент будет направлен в сторону наибольшего убывания функции и является направлением наискорейшего спуска. Антиградиент (и градиент) ортогонален поверхности уровня f(X) в точке X. Если в (1.2) ввести направление

то это будет направление наискорейшего спуска в точке Xk.

Получаем формулу перехода из Xk в Xk+1:

Антиградиент дает только направление спуска, но не величину шага. В общем случае один шаг не дает точку минимума, поэтому процедура спуска должна применяться несколько раз. В точке минимума все компоненты градиента равны нулю.

Все градиентные методы используют изложенную идею и отличаются друг от друга техническими деталями: вычисление производных по аналитической формуле или конечно-разностной аппроксимации; величина шага может быть постоянной, меняться по каким-либо правилам или выбираться после применения методов одномерной оптимизации в направлении антиградиента и т.д. и т.п.

Останавливаться подробно мы не будем, т.к. метод наискорейшего спуска не рекомендуется обычно в качестве серьезной оптимизационной процедуры.

Одним из недостатков этого метода является то, что он сходится к любой стационарной точке, в том числе и седловой, которая не может быть решением.

Но самое главное - очень медленная сходимость наискорейшего спуска в общем случае. Дело в том, что спуск является "наискорейшим" в локальном смысле. Если гиперпространство поиска сильно вытянуто ("овраг"), то антиградиент направлен почти ортогонально дну "оврага", т.е. наилучшему направлению достижения минимума. В этом смысле прямой перевод английского термина "steepest descent", т.е. спуск по наиболее крутому склону более соответствует положению дел, чем термин "наискорейший", принятый в русскоязычной специальной литературе. Одним из выходов в этой ситуации является использование информации даваемой вторыми частными производными. Другой выход - изменение масштабов переменных.

линейный аппроксимация производная градиент

Метод сопряженного градиента Флетчера-Ривса

В методе сопряженного градиента строится последовательность направлений поиска, являющихся линейными комбинациями, текущего направления наискорейшего спуска, и, предыдущих направлений поиска, т.е.

причем коэффициенты выбираются так, чтобы сделать направления поиска сопряженными. Доказано, что

и это очень ценный результат, позволяющий строить быстрый и эффективный алгоритм оптимизации.

Алгоритм Флетчера-Ривса

1. В X0 вычисляется.

2. На k-ом шаге с помощь одномерного поиска в направлении находится минимум f(X), который и определяет точку Xk+1.

• 3. Вычисляются f(Xk+1) и.
• 4. Направление определяется из соотношения:

• 5. После (n+1)-й итерации (т.е. при k=n) производится рестарт: полагается X0=Xn+1 и осуществляется переход к шагу 1.
• 6. Алгоритм останавливается, когда

где - произвольная константа.

Преимуществом алгоритма Флетчера-Ривса является то, что он не требует обращения матрицы и экономит память ЭВМ, так как ему не нужны матрицы, используемые в Ньютоновских методах, но в то же время почти столь же эффективен как квази-Ньютоновские алгоритмы. Т.к. направления поиска взаимно сопряжены, то квадратичная функция будет минимизирована не более, чем за n шагов. В общем случае используется рестарт, который позволяет получать результат.

Алгоритм Флетчера-Ривса чувствителен к точности одномерного поиска, поэтому при его использовании необходимо устранять любые ошибки округления, которые могут возникнуть. Кроме того, алгоритм может отказать в ситуациях, где Гессиан становится плохо обусловленным. Гарантии сходимости всегда и везде у алгоритма нет, хотя практика показывает, что почти всегда алгоритм дает результат.

Ньютоновские методы

Направление поиска, соответствующее наискорейшему спуску, связано с линейной аппроксимацией целевой функции. Методы, использующие вторые производные, возникли из квадратичной аппроксимации целевой функции, т. е. при разложении функции в ряд Тейлора отбрасываются члены третьего и более высоких порядков.

где - матрица Гессе.

Минимум правой части (если он существует) достигается там же, где и минимум квадратичной формы. Запишем формулу для определения направления поиска:

Минимум достигается при

Алгоритм оптимизации, в котором направление поиска определяется из этого соотношения, называется методом Ньютона, а направление - ньютоновским направлением.

В задачах поиска минимума произвольной квадратичной функции с положительной матрицей вторых производных метод Ньютона дает решение за одну итерацию независимо от выбора начальной точки.

Классификация Ньютоновских методов

Собственно метод Ньютона состоит в однократном применении Ньютоновского направления для оптимизации квадратичной функции. Если же функция не является квадратичной, то верна следующая теорема.

Теорема 1.4. Если матрица Гессе нелинейной функции f общего вида в точке минимума X* положительно определена, начальная точка выбрана достаточно близко к X* и длины шагов подобраны верно, то метод Ньютона сходится к X* с квадратичной скоростью.

Метод Ньютона считается эталонным, с ним сравнивают все разрабатываемые оптимизационные процедуры. Однако метод Ньютона работоспособен только при положительно определенной и хорошо обусловленной матрицей Гессе (определитель ее должен быть существенно больше нуля, точнее отношение наибольшего и наименьшего собственных чисел должно быть близко к единице). Для устранения этого недостатка используют модифицированные методы Ньютона, использующие ньютоновские направления по мере возможности и уклоняющиеся от них только тогда, когда это необходимо.

Общий принцип модификаций метода Ньютона состоит в следующем: на каждой итерации сначала строится некоторая "связанная" с положительно определенная матрица, а затем вычисляется по формуле

Так как положительно определена, то - обязательно будет направлением спуска. Процедуру построения организуют так, чтобы она совпадала с матрицей Гессе, если она является положительно определенной. Эти процедуры строятся на основе некоторых матричных разложений.

Другая группа методов, практически не уступающих по быстродействию методу Ньютона, основана на аппроксимации матрицы Гессе с помощью конечных разностей, т.к. не обязательно для оптимизации использовать точные значения производных. Эти методы полезны, когда аналитическое вычисление производных затруднительно или просто невозможно. Такие методы называются дискретными методами Ньютона.

Залогом эффективности методов ньютоновского типа является учет информации о кривизне минимизируемой функции, содержащейся в матрице Гессе и позволяющей строить локально точные квадратичные модели целевой функции. Но ведь возможно информацию о кривизне функции собирать и накапливать на основе наблюдения за изменением градиента во время итераций спуска.

Соответствующие методы, опирающиеся на возможность аппроксимации кривизны нелинейной функции без явного формирования ее матрицы Гессе, называют квази-Ньютоновскими методами.

Отметим, что при построении оптимизационной процедуры ньютоновского типа (в том числе и квази-Ньютоновской) необходимо учитывать возможность появления седловой точки. В этом случае вектор наилучшего направления поиска будет все время направлен к седловой точке, вместо того, чтобы уходить от нее в направлении "вниз".

Метод Ньютона-Рафсона

Данный метод состоит в многократном использовании Ньютоновского направления при оптимизации функций, не являющихся квадратичными.

Основная итерационная формула многомерной оптимизации

используется в этом методе при выборе направления оптимизации из соотношения

Реальная длина шага скрыта в ненормализованном Ньютоновском направлении.

Так как этот метод не требует значения целевой функции в текущей точке, то его иногда называют непрямым или аналитическим методом оптимизации. Его способность определять минимум квадратичной функции за одно вычисление выглядит на первый взгляд исключительно привлекательно. Однако это "одно вычисление" требует значительных затрат. Прежде всего, необходимо вычислить n частных производных первого порядка и n(n+1)/2 - второго. Кроме того, матрица Гессе должна быть инвертирована. Это требует уже порядка n3 вычислительных операций. С теми же самыми затратами методы сопряженных направлений или методы сопряженного градиента могут сделать порядка n шагов, т.е. достичь практически того же результата. Таким образом, итерация метода Ньютона-Рафсона не дает преимуществ в случае квадратичной функции.

Если же функция не квадратична, то

• - начальное направление уже, вообще говоря, не указывает действительную точку минимума, а значит, итерации должны повторяться неоднократно;
• - шаг единичной длины может привести в точку с худшим значением целевой функции, а поиск может выдать неправильное направление, если, например, гессиан не является положительно определенным;
• - гессиан может стать плохо обусловленным, что сделает невозможным его инвертирование, т.е. определение направления для следующей итерации.

Сама по себе стратегия не различает, к какой именно стационарной точке (минимума, максимума, седловой) приближается поиск, а вычисления значений целевой функции, по которым можно было бы отследить, не возрастает ли функция, не делаются. Значит, все зависит от того, в зоне притяжения какой стационарной точки оказывается стартовая точка поиска. Стратегия Ньютона-Рафсона редко используется сама по себе без модификации того или иного рода.

Методы Пирсона

Пирсон предложил несколько методов с аппроксимацией обратного гессиана без явного вычисления вторых производных, т.е. путем наблюдений за изменениями направления антиградиента. При этом получаются сопряженные направления. Эти алгоритмы отличаются только деталями. Приведем те из них, которые получили наиболее широкое распространение в прикладных областях.

Алгоритм Пирсона № 2.

В этом алгоритме обратный гессиан аппроксимируется матрицей Hk, вычисляемой на каждом шаге по формуле

В качестве начальной матрицы H0 выбирается произвольная положительно определенная симметрическая матрица.

Данный алгоритм Пирсона часто приводит к ситуациям, когда матрица Hk становится плохо обусловленной, а именно - она начинает осцилировать, колеблясь между положительно определенной и не положительно определенной, при этом определитель матрицы близок к нулю. Для избежания этой ситуации необходимо через каждые n шагов перезадавать матрицу, приравнивая ее к H0.

Алгоритм Пирсона № 3.

В этом алгоритме матрица Hk+1 определяется из формулы

Hk+1 = Hk +

Траектория спуска, порождаемая алгоритмом, аналогична поведению алгоритма Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, но шаги немного короче. Пирсон также предложил разновидность этого алгоритма с циклическим перезаданием матрицы.

Проективный алгоритм Ньютона-Рафсона

Пирсон предложил идею алгоритма, в котором матрица рассчитывается из соотношения

H0=R0, где матрица R0 такая же как и начальные матрицы в предыдущих алгоритмах.

Когда k кратно числу независимых переменных n, матрица Hk заменяется на матрицу Rk+1, вычисляемую как сумма

Величина Hk(f(Xk+1) - f(Xk)) является проекцией вектора приращения градиента (f(Xk+1)-f(Xk)), ортогональной ко всем векторам приращения градиента на предыдущих шагах. После каждых n шагов Rk является аппроксимацией обратного гессиана H-1(Xk), так что в сущности осуществляется (приближенно) поиск Ньютона.

Метод Дэвидона-Флетчера-Пауэла

Этот метод имеет и другие названия - метод переменной метрики, квазиньютоновский метод, т.к. он использует оба эти подхода.

Метод Дэвидона-Флетчера-Пауэла (ДФП) основан на использовании ньютоновских направлений, но не требует вычисления обратного гессиана на каждом шаге.

Направление поиска на шаге k является направлением

где Hi - положительно определенная симметричная матрица, которая обновляется на каждом шаге и в пределе становится равной обратному гессиану. В качестве начальной матрицы H обычно выбирают единичную. Итерационная процедура ДФП может быть представлена следующим образом:

• 1. На шаге k имеются точка Xk и положительно определенная матрица Hk.
• 2. В качестве нового направления поиска выбирается

3. Одномерным поиском (обычно кубической интерполяцией) вдоль направления определяется k, минимизирующее функцию.

4. Полагается.

5. Полагается.

6. Определяется и. Если Vk или достаточно малы, процедура завершается.

• 7. Полагается Uk = f(Xk+1) - f(Xk).
• 8. Матрица Hk обновляется по формуле

9. Увеличить k на единицу и вернуться на шаг 2.

Метод эффективен на практике, если ошибка вычислений градиента невелика и матрица Hk не становится плохо обусловленной.

Матрица Ak обеспечивает сходимость Hk к G-1, матрица Bk обеспечивает положительную определенность Hk+1 на всех этапах и в пределе исключает H0.

В случае квадратичной функции

т.е. алгоритм ДФП использует сопряженные направления.

Таким образом, метод ДФП использует как идеи ньютоновского подхода, так и свойства сопряженных направлений, и при минимизации квадратичной функции сходится не более чем за n итераций. Если оптимизируемая функция имеет вид, близкий к квадратичной функции, то метод ДФП эффективен за счет хорошей аппроксимации G-1(метод Ньютона). Если же целевая функция имеет общий вид, то метод ДФП эффективен за счет использования сопряженных направлений.

Вектор-градиент направлен в сторону наискорейшего возрастания функции в данной точке. Вектор, противоположный градиенту -grad(/(x)), называется антиградиентом и направлен в сторону наискорейшего убывания функции. В точке минимума градиент функции равен нулю. На свойствах градиента основаны методы первого порядка, называемые также градиентным. Если нет дополнительной информации, то из начальной точки х (0 > лучше перейти в точку х (1) , лежащую в направлении антиградиента - наискорейшего убывания функции. Выбирая в качестве направления спуска антиградиент -grad(/(x (^)) в точке х (к получим итерационный процесс вида

В координатной форме этот процесс записывается следующим образом:

В качестве критерия останова итерационного процесса можно использовать либо условие (10.2), либо выполнение условия малости градиента

Возможен и комбинированный критерий, состоящий в одновременном выполнении указанных условий.

Градиентные методы отличаются друг от друга способами выбора величины шага а В методе с постоянным шагом для всех итераций выбирается некоторая постоянная величина шага. Достаточно малый шаг а^ обеспечивает убывание функции, т.е. выполнение неравенства

Однако это может привести к необходимости проводить достаточно большое количество итераций для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой шаг может вызвать рост функции либо привести к колебаниям около точки минимума. Требуется дополнительная информация для выбора величины шага, поэтому методы с постоянным шагом применяются на практике редко.

Более надежны и экономичны (в смысле количества итераций) градиентные методы с переменным шагом, когда в зависимости от полученного приближения величина шага некоторым образом меняется. В качестве примера такого метода рассмотрим метод наискорейшего спуска. В этом методе на каждой итерации величина шага я* выбирается из условия минимума функции /(х) в направлении спуска, т.е.

Это условие означает, что движение вдоль антиградиента происходит до тех пор, пока значение функции /(х) убывает. Поэтому на каждой итерации необходимо решать задачу одномерной минимизации по я функции ф(я) =/(х (/г) - - agrad^x^))). Алгоритм метода наискорейшего спуска состоит в следующем.

• 1. Зададим координаты начальной точки х^° точность приближенного решения г. Положим k = 0.
• 2. В точке х (/г) вычислим значение градиента grad(/(x (^)).
• 3. Определим величину шага а^ путем одномерной минимизации по я функции ср(я).
• 4. Определим новое приближение к точке минимума х (* +1 > по формуле (10.4).
• 5. Проверим условия останова итерационного процесса. Если они выполняются, то вычисления прекращаются. В противном случае полагаем k k + 1 и переходим к п. 2.

В методе наискорейшего спуска направление движения из точки х (*) касается линии уровня в точке х (* +1) . Траектория спуска зигзагообразная, и соседние звенья зигзага ортогональны друг другу. Действительно, шаг а^ выбирается путем минимизации по а функции (а ). Необходимое условие

минимума функции - = 0. Вычислив производную

сложной функции, получим условие ортогональности векторов направлений спуска в соседних точках:

Задачу минимизации функции ф(я) можно свести к задаче вычисления корня функции одной переменной g(a) =

Градиентные методы сходятся к минимуму со скоростью геометрической прогрессии для гладких выпуклых функций. У таких функций наибольшее и наименьшее собственные значения матрицы вторых производных (матрицы Гессе)

мало отличаются друг от друга, т.е. матрица Н(х) хорошо обусловлена. Однако на практике минимизируемые функции часто имеют плохо обусловленные матрицы вторых производных. Значения таких функций вдоль некоторых направлений изменяются гораздо быстрее, чем в других направлениях. Скорость сходимости градиентных методов существенно зависит также от точности вычислений градиента. Потеря точности, а это обычно происходит в окрестности точек минимума, может вообще нарушить сходимость процесса градиентного спуска. Поэтому градиентные методы зачастую используются в комбинации с другими, более эффективными методами на начальной стадии решения задачи. В этом случае точка х (0) находится далеко от точки минимума, и шаги в направлении антиградиента позволяют достичь существенного убывания функции.