Обзор градиентных методов в задачах математической оптимизации. Градиентные методы

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.

Градиентные методы оптимизации

Задачи оптимизации с нелинейными или трудно вычислимыми соотноше­ниями, определяющими критерий оптимизации и ограничения, являются предметом нелинейного программирования. Как правило, решения задач не­линейного программирования могут быть найдены лишь численными мето­дами с применением вычислительной техники. Среди них наиболее часто пользуются градиентными методами (методы релаксации, градиента, наиско­рейшего спуска и восхождения), безградиентными методами детерминиро­ванного поиска (методы сканирования, симплексный и др.), методами случай­ного поиска. Все эти методы применяются при численном определении опти-мумов и достаточно широко освещены в специальной литературе.

В общем случае значение критерия оптимизации R может рассматри­ваться как функция R (х ь хь ..., х п), определенная в л-мерном пространстве. Поскольку не существует наглядного графического изображения я-мерного пространства, воспользуемся случаем двумерного пространства.

Если R (л ь х 2) непрерывна в области D, то вокруг оптимальной точки M°(xi°, х г °) можно провести в данной плоскости замкнутую линию, вдоль ко­торой значение R = const. Таких линий, называемых линиями равных уровней, вокруг оптимальной точки можно провести множество (в зависимости от шага

Среди методов, применяемых для решения задач нелинейного програм­мирования, значительное место занимают методы поиска решений, основан­ные на анализе производной по направлению оптимизируемой функции. Если в каждой точке пространства скалярная функция нескольких переменных принимает вполне определенные значения, то в данном случае имеем дело со скалярным полем (поле температур, поле давлений, поле плотностей и т.д.). Подобным образом определяется векторное поле (поле сил, скоростей и т.д.). Изотермы, изобары, изохроны и т.д. - все это линии (поверхности) равных уровней, равных значений функции (температуры, давления, объема и т.д.). Поскольку от точки к точке пространства значение функции меняется, то ста­новится необходимым определение скорости изменения функции в простран­стве, то есть производной по направлению.

Понятие градиента широко используется в инженерных расчетах при на­хождении экстремумов нелинейных функций. Градиентные методы относятся к численным методам поискового типа. Они универсальны и особенно эффек­тивны в случаях поиска экстремумов нелинейных функций с ограничениями, а также когда аналитическая функция неизвестна совсем. Сущность этих мето­дов заключается в определении значений переменных, обеспечивающих экс­тремум функции цели, путем движения по градиенту (при поиске max) или в противоположном направлении (min). Различные градиентные методы отли­чаются один от другого способом определения движения к оптимуму. Суть заключается в том, что если линии равных уровней R{xu x i) характеризуют графически зависимость R(x\jc?), то поиск оптимальной точки можно вести по-разному. Например, изобразить сетку на плоскости х\, хг с указанием зна­чений R в узлах сетки (рис. 2.13).

Затем можно выбрать из узловых значений экстремальное. Путь этот не рациональный, связан с большим количеством вычислений, да и точность не­велика, так как зависит от шага, а оптимум может находиться между узлами.

Численные методы

Математические модели содержат соотношения, составленные на основе теоретического анализа изучаемых процессов или полученные в результате обработки экспериментов (таблиц данных, графиков). В любом случае мате матическая модель лишь приближенно описывает реальный процесс. Поэтом} вопрос точности, адекватности модели является важнейшим. Необходимости приближений возникает и при самом решении уравнений. До недавних пор модели, содержащие нелинейные дифференциальные уравнения или диффе ренциальные уравнения в частных производных, не могли быть решены ана литическими методами. Это же относится к многочисленным классам небе рущихся интегралов. Однако разработка методов численного анализа позво лила необозримо раздвинуть границы возможностей анализа математических моделей, особенно это стало реальным с применением ЭВМ.

Численные методы используются для приближения функций, для реше ния дифференциальных уравнений и их систем, для интегрирования и диффе ренцирования, для вычисления числовых выражений.

Функция может быть задана аналитически, таблицей, графиком. При вы полнении исследований распространенной задачей является приближение функции аналитическим выражением, удовлетворяющим поставленным уело виям. При этом решаются четыре задачи:

Выбор узловых точек, проведение экспериментов при определен­ных значениях (уровнях) независимых переменных (при непра­вильном выборе шага изменения фактора либо «пропустим» ха­рактерную особенность изучаемого процесса, либо удлиним про­цедуру и повысим трудоемкость поиска закономерности);

Выбор приближающих функций в виде многочленов, эмпириче­ских формул в зависимости от содержания конкретной задачи (следует стремиться к максимальному упрощению приближающих функций);

Выбор и использование критериев согласия, на основе которых на­ходятся параметры приближающих функций;

Выполнение требований заданной точности к выбору приближаю­щей функции.

В задачах приближения функций многочленами используются три класса

Линейная комбинация степенных функций (ряд Тейлора, много­члены Лагранжа, Ньютона и др.);

Комбинация функций соз пх, ш их (ряды Фурье);

Многочлен, образуемый функциями ехр (-а, г).

При нахождении приближающей функции используют различные крите­рии согласия с экспериментальными данными.

При оптимизации методом градиента оптимум исследуемого объекта ищут в направлении наиболее быстрого возрастания (убывания) выходной переменной, т.е. в направлении градиента. Но прежде чем сделать шаг в направлении градиента, необходимо его рассчитать. Градиент можно рассчитать либо по имеющейся модели

моделирование динамический градиентный полиномиальный

где - частная производная по i-му фактору;

i, j, k - единичные векторы в направлении координатных осей факторного пространства, либо по результатам n пробных движений в направлении координатных осей.

Если математическая модель статистического процесса имеет вид линейного полинома, коэффициенты регрессии b i которого являются частными производными разложения функции y = f(X) в ряд Тейлора по степеням x i , то оптимум ищут в направлении градиента с некоторым шагом h i:

пкфв н(Ч)= и 1 р 1 +и 2 р 2 +…+и т р т

Направление корректируют после каждого шага.

Метод градиента вместе с его многочисленными модификациями является распространенным и эффективным методом поиска оптимума исследуемых объектов. Рассмотрим одну из модификаций метода градиента - метод крутого восхождения.

Метод крутого восхождения, или иначе метод Бокса-Уилсона, объединяет в себе достоинства трех методов - метода Гаусса-Зейделя, метода градиентов и метода полного (или дробного) факторного экспериментов, как средства получения линейной математической модели. Задача метода крутого восхождения заключается в том, чтобы шаговое движение осуществлять в направлении наискорейшего возрастания (или убывания) выходной переменной, то есть по grad y(X). В отличии от метода градиентов, направление корректируется не после каждого следующего шага, а при достижении в некоторой точке на данном направлении частного экстремума целевой функции, как это делается в методе Гаусса-Зейделя. В точке частного экстремума ставится новый факторный эксперимент, определяется математическая модель и вновь осуществляется крутое восхождение. В процессе движения к оптимуму указанным методом регулярно проводиться статистический анализ промежуточных результатов поиска. Поиск прекращается, когда квадратичные эффекты в уравнении регрессии становятся значимыми. Это означает, что достигнута область оптимума.

Опишем принцип использования градиентных методов на примере функции двух переменных

при наличии двух дополнительных условий:

Этот принцип (без изменения) можно применить при любом числе переменных, а также дополнительных условий. Рассмотрим плоскость x 1 , x 2 (Рис. 1). Согласно формуле (8) каждой точке соответствует некоторое значение F. На Рис.1 линии F = const, принадлежащие этой плоскости, представлены замкнутыми кривыми, окружающими точку M * , в которой F минимально. Пусть в начальный момент значения x 1 и x 2 соответствуют точке M 0 . Цикл расчета начинается с серии пробных шагов. Сначала величине x 1 дается небольшое приращение; в это время значение x 2 неизменно. Затем определяется полученное при этом приращение величины F, которое можно считать пропорциональным значению частной производной

(если величина всегда одна и та же).

Определение частных производных (10) и (11) означает, что найден вектор с координатами и, который называется градиентом величины F и обозначается так:

Известно, что направление этого вектора совпадает с направлением наиболее крутого возрастания величины F. Противоположное ему направление - это «наискорейший спуск», другими словами, наиболее крутое убывание величины F.

После нахождения составляющих градиента пробные движения прекращаются и осуществляются рабочие шаги в направлении, противоположном направлению градиента, причем величина шага тем больше, чем больше абсолютная величина вектора grad F. Эти условия осуществляются, если величины рабочих шагов и пропорциональны полученным ранее значениям частных производных:

где б - положительная константа.

После каждого рабочего шага оценивается приращение величины F. Если оно оказывается отрицательным, то движение происходит в правильном направлении и нужно двигаться в том же направлении M 0 M 1 дальше. Если же в точке M 1 результат измерения показывает, что, то рабочие движения прекращаются и начинается новая серия пробных движений. При этом определяется градиент gradF в новой точке M 1 , затем рабочее движение продолжается по новому найденному направлению наискорейшего спуска, т. е. по линии M 1 M 2 , и т.д. Этот метод называется методом наискорейшего спуска/крутого восхождения.

Когда система находится вблизи минимума, показателем чего является малое значение величины

происходит переключение на более «осторожный» метод поиска, так называемый метод градиента. От метода наискорейшего спуска он отличается тем, что после определения градиента gradF делается лишь один рабочий шаг, а затем в новой точке опять начинается серия пробных движений. Такой метод поиска обеспечивает более точное установление минимума по сравнению с методом наискорейшего спуска, между тем как последний позволяет быстрее приблизиться к минимуму. Если в процессе поиска точка М доходит до границы допустимой области и хотя бы одна из величин М 1 , М 2 меняет знак, метод меняется и точка М начинает двигаться вдоль границы области.

Эффективность метода крутого восхождения зависит от выбора масштаба переменных и вида поверхности отклика. Поверхность со сферическими контурами обеспечивает быстрое стягивание к оптимуму.

К недостаткам метода крутого восхождения следует отнести:

1. Ограниченность экстраполяции. Двигаясь вдоль градиента, мы основываемся на экстраполяции частных производных целевой функции по соответствующим переменным. Однако форма поверхности отклика может изменяться и необходимо изменять направление поиска. Другими словами, движение на плоскости не может быть продолжительным.

2. Трудность поиска глобального оптимума. Метод применим для отыскания только локальных оптимумов.

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.

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.