牛顿法
牛顿法一般指牛顿迭代法，牛顿迭代法（Newton's method）又称为牛顿-拉夫逊（拉弗森）方法（Newton-Raphson method），它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。
牛顿法产生背景
多数方程不存在求根公式，因此求精确根非常困难，甚至不可解，从而寻找方程的近似根就显得特别重要。方法使用函数的泰勒级数的前面几项来寻找方程的根。牛顿迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程的单根附近具有平方收敛，而且该法还可以用来求方程的重根、复根，此时线性收敛，但是可通过一些方法变成超线性收敛。另外该方法广泛用于计算机编程中。
牛顿迭代公式
迭代法也称辗转法，是一种不断用变量的旧值递推新值的过程，跟迭代法相对应的是直接法（或者称为一次解法），即一次性解决问题。迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或一定步骤）重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值。
利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作：
一、确定迭代变量
在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个可直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量。
二、建立迭代关系式
所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式（或关系）。迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成。
三、对迭代过程进行控制
在什么时候结束迭代过程？这是编写迭代程序必须考虑的问题。不能让迭代过程无休止地执行下去。迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来；另一种是所需的迭代次数无法确定。对于前一种情况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制；对于后一种情况，需要进一步分析得出可用来结束迭代过程的条件。
最优化课程设计
《最优化》课程设计 题目：牛顿法与阻尼牛顿法算法分析 学院: 数学与计算科学学院 专业：数学与应用数学 姓名学号：廖丽红 1000730105 欧艳 1000730107 骆宗元 1000730122 沈琼赞 1000730127 指导教师：李向利 日期：2012年11月08日
摘要 本文基于阻尼牛顿法在解决无约束最优化问题中的重要性，对其原理与算法予以讨论。论文主要是参阅大量数学分析和最优化理论方法，还有最优化方法课程以及一些学术资料，结合自己在平时学习中掌握的知识，并在指导老师的建议下，拓展叙述牛顿法和其改进方法——阻尼牛顿法的优缺点，同时针对阻尼牛顿法的基本思路和原理进行研究，其搜索方向为负梯度方向，改善了牛顿法的缺点，保证了下降方向。 关键词：无约束牛顿法下降方向阻尼牛顿法最优解
Abstract This thesis is based on the importance of the damping Newton's method to solve unconstrained optimization problems, we give the discussion about its principles and algorithms. We search a large number of mathematical analysis and optimization theory methods, optimization methods courses, as well as some academic information ,and at the same time combined with knowledge we have learning in peacetime and thanks to the instructor's advice, we also give an expanding narrative for the Newton's method and the improved method -- damping Newton method's advantages and disadvantages, and make a study of the basic ideas and principles for damping Newton method at the same time , we find that a negative gradient direction is for the search direction of the damping Newton method, this method improves the shortcomings of the Newton method which can ensure the descent direction. Keywords: unconstrained , Newton's method , descent direction , damping Newton's method ,optimal solution
牛顿迭代法
牛顿迭代法 李保洋 数学科学学院信息与计算科学学号：060424067 指导老师：苏孟龙 摘要：牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法，即牛顿迭代法.迭代法是一种不断用变量的旧值递推新值的过程.跟迭代法相对应的是直接法或者称为一次解法，即一次性解决问题.迭代法又分为精确迭代和近似迭代.“牛顿迭代法”属于近似迭代法，本文主要讨论的是牛顿迭代法，方法本身的发现和演变和修正过程，避免二阶导数计算的Newton迭代法的一个改进，并与中国古代的算法，即盈不足术，与牛顿迭代算法的比较. 关键词：Newton迭代算法；近似求解；收敛阶；数值试验；中国古代数学； 九章算术；Duffing方程；非线性方程；收敛速度；渐进性 0 引言： 迭代法也称辗转法，是一种不断用变量的旧值递推新值的过程，跟迭代法相对应的是直接法或者称为一次解法，即一次性解决问题.迭代法又分为精确迭代和近似迭代.“二分法”和“牛顿迭代法”属于近似迭代法. 迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法.它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或一定步骤）进行重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值.具体使用迭代法求根时应注意以下两种可能发生的情况： (1)如果方程无解，算法求出的近似根序列就不会收敛，迭代过程会变成死循环，因此在使用迭代算法前应先考察方程是否有解，并在程序中对迭代的次数给予限制. (2)方程虽然有解，但迭代公式选择不当，或迭代的初始近似根选择不合理，也会导致迭代失败. 所以利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作： 1、确定迭代变量.在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量. 2、建立迭代关系式.所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式(或关系).迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成. 3、对迭代过程进行控制，在什么时候结束迭代过程？这是编写迭代程序必须考虑的问题.不能让迭代过程无休止地重复执行下去.迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来;另一种是所需的迭代次数无法确定.对于前一种情况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制;对于后一种情况，需要进一步分析出用来结束迭代过程的条件. 1牛顿迭代法：
最优化方法,汇总
最优化方法结课作业 年级数学121班 学号201200144209 姓名李强
1、几种方法比较 无约束优化：不对定义域或值域做任何限制的情况下，求解目标函数的最小值。这是因为实际应用中，许多情形被抽象为函数形式后均为凸函数，对于凸函数来说局部最小值点即为全局最小值点，因此只要能求得这类函数的一个最小值点，该点一定为全局最小值。（直接法：又称数值方法，它只需计算目标函数驻点的函数数值，而不是求其倒数，如坐标轮换法，单纯型法等。间接法：又称解析法，是应用数学极值理论的解析方法。首先计算出目标函数的一阶或一阶、二阶导数，然后根据梯度及海赛矩阵提供的信息，构造何种算法，从而间接地求出目标函数的最优解，如牛顿法、最速下降法共轭梯度法及变尺度法。）在优化算法中保证整体收敛的重要方法就是线搜索法与信赖域法,这两种算法既相似又有所不同。根据不同的线搜索准则就延伸出不同的线搜索算法,譬如比较常见和经典的最速下降法,牛顿法,拟牛顿法以及共辄梯度法等。 一维搜索又称线性搜索(Line Search),就是指单变量函数的最优化,它是多变量函数最优化的基础,是求解无约束非线性规划问题的基本方法之一。 一维搜索技术既可独立的用于求解单变量最优化问题,同时又是求解多变量最优化问题常用的手段,虽然求解单变量最优化问题相对比较简单,但其中也贯穿了求解最优化问题的基本思想。由于一维搜索的使用频率较高,因此努力提高求解单变量问题算法的计算效率具有重要的实际意义。 在多变量函数的最优化中,迭代格式Xk+1=Xk+akdk其关键就是构造搜索方向dk和步长因子ak 设Φ(a)=f(xk+adk) 这样从凡出发,沿搜索方向dk,确定步长因子ak,使Φ(a)<Φ(0)的问题就是关于步长因子a 的一维搜索问题。其主要结构可作如下概括:首先确定包含问题最优解的搜索区间，然后采用某种分割技术或插值方法缩小这个区间，进行搜索求解。 一维搜索通常分为精确的和不精确的两类。如果求得ak使目标函数沿方向dk达到极小,即使得f (xk+akdk)=min f (xk+ adk) ( a>0)则称这样的一维搜索为最优一维搜索,或精确一维搜索,ak叫最优步长因子;如果选取ak使目标函数f得到可接受的下降量,即使得下降量f (xk)一f (xk+akdk)>0是用户可接受的,则称这样的一维搜索为近似一维搜索,或不精确一维搜索,或可接受一维搜索。由于在实际计算中,一般做不到精确的一维搜索,实际上也没有必要做到这一点,因为精确的一维搜索需要付出较高的代价,而对加速收敛作用不大,因此花费计算量
最优化方法之修正牛顿法matlab源码(含黄金分割法寻找步长)
revisenewton.m syms x1 x2 x3 xx; % f = x1*x1 +x2*x2 -x1*x2 -10*x1 -4*x2 + 60 ; % f = x1^2 + 2*x2^2 - 2*x1 *x2 -4*x1 ; f = 100 * (x1^2 - x2^2) + (x1 -1 )^2 ; hessen = jacobian(jacobian(f , [x1,x2]),[x1,x2]) ; gradd = jacobian(f , [x1,x2]) ; X0 = [0,0]' ; B = gradd' ; x1 = X0(1); x2 = X0(2); A = eval(gradd) ; % while sqrt( A(1)^2 + A(2)^2) >0.1 i=0; while norm(A) >0.1 i = i+1 ; fprintf('the number of iterations is: %d\n', i) if i>10 break; end B1 = inv(hessen)* B ; B2= eval(B1); % X1 = X0 - B2 % X0 = X1 ; f1= x1 + xx * B2(1); f2= x2 + xx* B2(2); % ff = norm(BB) ? syms x1 x2 ; fT=[subs(gradd(1),x1,f1),subs(gradd(2),x2,f2)]; ff = sqrt((fT(1))^2+(fT(2))^2); MinData = GoldData(ff,0,1,0.01); x1 = X0(1); x2 = X0(2); x1 = x1 + MinData * B2(1) x2 = x2 + MinData * B2(2) A = eval(gradd) End GoldData.m function MiniData = GoldData( f,x0,h0,eps) syms xx;
matlab最优化-牛顿法
实验报告日期：2013年6月2日 一、实验概述 【实验名称】：牛顿法 【实验性质】：验证性 【实验目的及要求】：配合课堂教学，培养学生动手能力，根据牛顿法求极小值的思想设计程序。 【基本原理】：牛顿法的迭代公式：)()(12)()1(k k k k x f x f x x ??-=-+，其中)(2k x f k ?是f(x)在k x 处的Hesse 矩阵。【实施环境】： MATLAB 7.0 二、实验内容 【项目内容及要求】 用牛顿法求解以下问题： min z=(x1-1)4+x22 三、实验过程 【实验操作步骤】 function [x1k]=newton(x1,j) %x1为初始点x1=[8,8]';j=1e-10; hs=inline('(x-1)^4+y^2');
ezcontour(hs,[-1010-1010]);hold on; syms x y f=(x-1)^4+y^2; grad1=jacobian(f,[x,y]);%求梯度 grad2=jacobian(grad1,[x,y]);%求Hesse矩阵 k=0; while1 grad1z=subs(subs(grad1,x,x1(1)),y,x1(2));%求梯度值 grad2z=subs(subs(grad2,x,x1(1)),y,x1(2));%求Hesse矩阵x2=x1-inv(grad2z)*(grad1z');%牛顿迭代公式 if norm(x1-x2) 牛顿法 迭代公式：(1)2()1()[()]()k k k k x x f x f x +-=-?? Matlab 代码： function [x1,k] =newton(x1,eps) hs=inline('(x-1)^4+y^2'); 写入函数 ezcontour(hs,[-10 10 -10 10]); 建立坐标系 hold on; 显示图像 syms x y 定义变量 f=(x-1)^4+y^2; 定义函数 grad1=jacobian(f,[x,y]); 求f 的一阶梯度 grad2=jacobian(grad1,[x,y]); 求f 的二阶梯度 k=0; 迭代初始值 while 1 循环 grad1z=subs(subs(grad1,x,x1(1)),y,x1(2)); 给f 一阶梯度赋初值 grad2z=subs(subs(grad2,x,x1(1)),y,x1(2)); 给f 二阶梯度赋初值 x2=x1-inv(grad2z)*(grad1z)'; 核心迭代公式 if norm(x1-x2) end end end 优点：在极小点附近收敛快 缺点：但是要计算目标函数的hesse 矩阵 最速下降法 1. ：选取初始点xo ，给定误差 2. 计算一阶梯度。若一阶梯度小于误差，停止迭代，输出 3. 取()()()k k p f x =? 4. 10 t ()(), 1.min k k k k k k k k k k t f x t p f x tp x x t p k k +≥+=+=+=+进行一维搜索，求，使得令转第二步 例题： 求min (x-2)^4+(x-2*y)^2.初始值（0,3）误差为0.1 (1)编写一个目标函数，存为f.m function z = f( x,y ) z=(x-2.0)^4+(x-2.0*y)^2; end (2)分别关于x 和y 求出一阶梯度，分别存为fx.m 和fy.m function z = fx( x,y ) z=2.0*x-4.0*y+4.0*(x-2.0)^3; end 和 function z = fy( x,y ) 1、编程实现下科学算法，并举一例应用之。（参考书籍《精通 科学MATLAB计算》，王正林等著，电子工业出版社，2009年） 牛顿－科茨（Newton-Cotes）公式算法： Step 1：判断type类型，1转Step 2,2转Step 3,3转Step 4；否则输出值为0； Step 2：计算科茨公式； Step 3：计算牛顿-科茨六点公式； Step 4：计算牛顿-科茨七点公式； 流程图： 定义function函数如下： function I = NewtonCotes(f,a,b,type) %type = 1 科茨公式 %type = 2 牛顿－科茨六点公式 %type = 3 牛顿－科茨七点公式 I=0; switch type case 1, I=((b-a)/90)*(7*subs(sym(f),findsym(sym(f)),a)+... 32*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(3*a+b)/4)+... 12*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+b)/2)+... 32*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+3*b)/4)+7*subs(sym(f),findsym(sym(f)),b)); case 2, I=((b-a)/288)*(19*subs(sym(f),findsym(sym(f)),a)+... 75*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(4*a+b)/5)+... 50*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(3*a+2*b)/5)+... 50*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(2*a+3*b)/5)+... 75*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+4*b)/5)+19*subs(sym(f),findsym(sym(f)),b)); case 3, I=((b-a)/840)*(41*subs(sym(f),findsym(sym(f)),a)+... 216*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(5*a+b)/6)+... 27*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(2*a+b)/3)+... 272*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+b)/2)+... 27*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+2*b)/3)+... 216*subs(sym(f),findsym(sym(f)),(a+5*b)/6)+41*subs(sym(f),findsym(sym(f)),b)); end 运算的输入方式及结果为： >> y=NewtonCotes('sin(x)',0,10,1) y = 3.7613 >> y=NewtonCotes('sin(x)',0,10,2) 2008-12-08 12:30 利用梯度法和牛顿法编程求最优解(matlab) f(x)=x1^2+4*x2^2 x0=[2;2] e=0.002 利用梯度法和牛顿法编程求最优解 方法一.梯度法 function y=fun(x1,x2) y=x1^2+4*x2^2; %定义fun.m函数 clc syms x1 x2 d; f=x1^2+4*x2^2; fx1=diff(f,'x1'); fx2=diff(f,'x2'); x1=2; x2=2; for n=1:100 f0=subs(f); f1=subs(fx1); f2=subs(fx2); if (double(sqrt(f1^2+f2^2)) <= 0.002) n vpa(x1) vpa(x2) vpa(f0) break; else D=fun(x1-d*f1,x2-d*f2); Dd=diff(D,'d'); dd=solve(Dd); x1=x1-dd*f1; x2=x2-dd*f2; end end %结果n=10,x1=0.2223e-3,x2=-0.1390e-4,f0=0.5021e-7. 方法二.牛顿法 clc syms x1 x2 ; f=x1^2+4*x2^2; fx1=diff(f,'x1'); fx2=diff(f,'x2'); fx1x1=diff(fx1,'x1');fx1x2=diff(fx1,'x2');fx2x1=diff(fx2,'x1');fx2x2= diff(fx2,'x2'); x1=2; x2=2; for n=1:100 f0=subs(f); f1=subs(fx1); f2=subs(fx2); if (double(sqrt(f1^2+f2^2)) <= 0.002) n x1=vpa(x1,4) x2=vpa(x2,4) f0=vpa(f0,4) break; else X=[x1 x2]'-inv([fx1x1 fx1x2;fx2x1 fx2x2]) *[f1 f2]'; x1=X[1,1]; x2=X[2,1]; end end %结果 n=2,x1=0,x2=0,f0=0. 惩罚函数法（内点法、外点法）求解约束优化问题最优值编程 matlab 1 用外点法求下列问题的最优解 方法一：外点牛顿法： clc m=zeros(1,50);a=zeros(1,50);b=zeros(1,50);f0=zeros(1,50);%a b为最优点坐标，f0为最优点函数值，f1 f2最优点梯度。 syms x1 x2 e; %e为罚因子。m(1)=1;c=10;a(1)=0;b(1)=0; %c为递增系数。赋初值。 f=x1^2+x2^2+e*(1-x1)^2;f0(1)=1; fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');fx1x1=diff(fx1,'x1');fx1x2=diff(fx1 ,'x2');fx2x1=diff(fx2,'x1');fx2x2=diff(fx2,'x2');%求偏导、海森元素。for k=1:100 %外点法e迭代循环. x1=a(k);x2=b(k);e=m(k); for 牛顿迭代法 一、 牛顿迭代法 牛顿迭代法也称为牛顿-拉夫森(Newton-Raphson)迭代法，它是数值分析中最重要的方法之一，它不仅适用于方程或方程组的求解，还常用于微分方程和积分方程求解。 二、 迭代公式 ,...2,1,0,) () (1='-=+k x f x f x x k k k k 用迭代法解非线性方程时，如何构造迭代函数是非常重要的，那么怎样构造的迭代函数才能保证迭代法收敛呢？牛顿迭代法就是常用的方法之一，其迭代格式的来源大概有以下几种方式（主要是第一种）： 1、设 ],[)(2 b a C x f ∈，对)(x f 在点],[0b a x ∈作泰勒展开： !2))((''))((')()(2 0000x x f x x x f x f x f -+ -+=ξ 略去二次项，得到)(x f 的线性近似式：))((')()(000x x x f x f x f -+≈。 由此得到方程=)(x f 0的近似根(假定≠)('0x f 0)，) (')(000x f x f x x - = 即可构造出迭代格式(假定≠)('k x f 0)： ) (') (1k k k k x f x f x x - =+ 公式(1) 这就是牛顿迭代公式，若得到的序列{k x }收敛于α，则α就是非线性方程的根。 2、 牛顿迭代法也称为牛顿切线法，这是由于)(x f 的线性化近似函数 )(x l ＝))((')(000x x x f x f -+是曲线y ＝)(x f 过点))(,(00x f x 的切线而得名 的，求)(x f 的零点代之以求)(x l 的零点，即切线)(x l 与x 轴交点的横坐标，如右图所示，这就是牛顿切线法的几何解释。实际上，牛顿迭代法也可以从几何意义上推出。利用牛顿 迭代公式，由k x 得到1+k x ，从几何图形上看，就是过点))(,(k k x f x 作函数)(x f 的切线k l ，切线k l 与x 轴的交点就是1+k x ，所以有1 )()('+-= k k k k x x x f x f ， 整理后也能得出牛顿迭代公式： ) (') (1k k k k x f x f x x - =+。 3、 要保证迭代法收敛，不管非线性方程=)(x f 0的形式如何，总可以构造： )()()(x f x k x x x -==? )0)((≠x k 作为方程求解的迭代函数。因为：)(')()()('1)('x f x k x f x k x --=? 而且)('x ?在根α附近越小，其局部收敛速度越快，故可令：0)('=α? 若≠)('αf 0(即根α不是=)(x f 0的重根)，则由0)('=α?得：)('1 )(ααf k = ， 因此可令 )('1 )(x f x k = ，则也可以得出迭代公式：)(')(1k k k k x f x f x x - =+。 4、 迭代法的基本思想是将方程0)(=x f 改写成等价的迭代形式 推导牛顿迭代法 牛顿法是方程求根的一个有力方法，常常能快速求出其他方法求不出或者难以求出的解。假定有一个函数y=f（x），方程f(x)=0在x = r 处有一个根，对于此根，我们先估计一个初始值Xo（可以是猜测的）。我们现在来得到一个更好的估计值X1。为此x=Xo处作该曲线的切线，并将其延长与x 轴相交。切线与x轴的交点通常很接近r ，我们用它作为下一个估计值X1，求出X1后，用X1代替Xo。重复上述过程，在x=X1处作曲线的另一条切线，并将其延长至与x轴相交，用切线的x轴截距作为下一个近似值X2……这样继续下去，所得出的这个x轴截距的序列通常迅速接近根r 。 现在再让我们从代数角度看上述过程，我们知道，在初始值Xo处，切线的斜率是f'(x)，切线方程为： y - f(x0) = f '(x0)(x – x0) 在此切线与x轴相交处，有y=0 ,x=x1，因而有： 0 - f(x0) = f '(x0)(x1 – x0) 只要f '(xo)不为0，可解出x1，得： f(x0) x1 = x0 —---------- f '(x0) 重复该过程，可得下一近似值为： f(x1) x2 = x1—---------- f '(x1) 总结n = 0，1，2，……的情形得出下述结果： 牛顿迭代法：只要f '(xn) ≠0，则有 f(Xn) X(n+1) = X(n) —---------- f '(Xn) 注意：牛顿法也有不成功的时候，若ｆ（ｘ）无根，则，序列不收敛。另外，一些函数图像可能形成随即序列，这就需要其他的辅助条件。 附注：f ' (x)表示函数f(x)的导函数，f '(xo)则表示函数f (x)在x = xo处的导数。 实验报告 日期：2013年6月2日 一、 实验概述 【实验名称】：牛顿法 【实验性质】：验证性 【实验目的及要求】：配合课堂教学，培养学生动手能力，根据牛顿法求极小值的思想设计程序。 【基本原理】：牛顿法的迭代公式：)()(12)()1(k k k k x f x f x x ??-=-+， 其中)(2k x f k ?是f(x)在k x 处的Hesse 矩阵。 【实施环境】： MATLAB 7.0 二、实验内容 【项目内容及要求】 用牛顿法求解以下问题： min z=(x1-1)4+x22 三、实验过程 【实验操作步骤】 function [x1 k]=newton(x1,j) %x1为初始点 x1=[8,8]';j=1e-10; hs=inline('(x-1)^4+y^2'); ezcontour(hs,[-10 10 -10 10]);hold on; syms x y f=(x-1)^4+y^2; grad1=jacobian(f,[x,y]);%求梯度 grad2=jacobian(grad1,[x,y]);%求Hesse矩阵 k=0; while 1 grad1z=subs(subs(grad1,x,x1(1)),y,x1(2));%求梯度值 grad2z=subs(subs(grad2,x,x1(1)),y,x1(2));%求Hesse矩阵 x2=x1-inv(grad2z)*(grad1z');%牛顿迭代公式 if norm(x1-x2) 《最优化方法》复习题 一、 简述题 1、怎样判断一个函数是否为凸函数. （例如: 判断函数212 2 212151022)(x x x x x x x f +-++=是否为凸函数） 2、写出几种迭代的收敛条件. 3、熟练掌握利用单纯形表求解线性规划问题的方法（包括大M 法及二阶段法）. 见书本61页(利用单纯形表求解); 69页例题 (利用大M 法求解、二阶段法求解); 4、简述牛顿法和拟牛顿法的优缺点. 简述共轭梯度法的基本思想. 写出Goldstein 、Wolfe 非精确一维线性搜索的公式。 5、叙述常用优化算法的迭代公式． （1）0.618法的迭代公式：(1)(), ().k k k k k k k k a b a a b a λτμτ=+--??=+-? （2）Fibonacci 法的迭代公式：111(),(1,2,,1)() n k k k k k n k n k k k k k n k F a b a F k n F a b a F λμ---+--+? =+-?? =-? ?=+-?? L ． （3）Newton 一维搜索法的迭代公式： 1 1k k k k x x G g -+=-． （4）推导最速下降法用于问题1min ()2 T T f x x Gx b x c = ++的迭代公式： 1()T k k k k k T k k k g g x x f x g G gx +=-? （5）Newton 法的迭代公式：211[()]()k k k k x x f x f x -+=-??． （6）共轭方向法用于问题1min ()2 T T f x x Qx b x c = ++的迭代公式： 1()T k k k k k T k k f x d x x d d Qd +?=-． 二、计算题 双折线法练习题 课本135页 例3.9.1 FR 共轭梯度法例题：课本150页 例4.3.5 二次规划有效集：课本213页例6.3.2, 牛顿法求解多维优化问题 姓名：王铎 学号： 2007021271 班级：机械078 上交日期： 2010/7/2 完成日期： 2010/6/29 一． 问题分析 求函数f(x)=x1^2-x1*x2+x2^2+x1*x3+x3^2最小值为多元无约束优化问题，由于函数为二次函数，牛顿型法在求近似点时用到泰勒级数展开到二次项，对于二次函数 所取点就不是近似值而是精确值，所以此函数用牛顿型法求解。 二． 数学模型 2.1目标函数 f(x)=x1^2-x1*x2+x2^2+x1*x3+x3^2 2.2设计变量 X=[x1 x2 x3] 三． 算法特点及预期计算情况 对于多元函数f(x),设xk 为f(x)极小点x*的一个近似点，在xk 处将f(x) 进行泰勒展开保留到二次项得 21()()()()()()()()2 k k T k k T k T k f x x f x f x x x x x f x x x ?≈=+?-+ -?- 式中2()k f x ?—()f x 在k x 处的海塞矩阵。 设1k x +为()x ?的极小点，它作为()f x 的极小点x*的下一个近似点，根据极值必要条件 1()0k x ?+?= 得 102010[()]()x x f x f x -=-?? k=（0,1,2,3,……） 此为多元函数求极值的牛顿法迭代公式，对于二次函数，泰勒级数展开到二次项，所取值不是近似值 而是精确值。海塞矩阵为常矩阵，各个元素都为常数。因此 初始点从何处出发，只需一步就可找到极小点，所以牛顿法具有二次收敛性。此题预计计算迭代一次找到极小值。 四． 计算过程 f(x)=x1^2-x1*x2+x2^2+x1*x3+x3^2 取初始点0[111]T x = 则初始点的函数梯度、海塞矩阵及其逆阵分别是 1230 121322()2123x x x f x x x x x -+?????????=-+=????????+???? 20 211()1 201 2f x -?? ???=-?????? §3.4 牛顿迭代法 牛顿迭代法也称为牛顿-拉夫森(Newton-Raphson)迭代法，它是数值分析中最重要的方法之一，它不仅适用于方程或方程组的求解，还常用于微分方程和积分方程求解。 3.4.1 牛顿迭代法 用迭代法解非线性方程时，如何构造迭代函数是非常重要的，那么怎样构造的迭代函数才能保证迭代法收敛呢？牛顿迭代法就是常用的方法之一，其迭代格式的来源大概有以下几种方式： 1设 ],[)(2b a C x f ∈，对)(x f 在点],[0b a x ∈作泰勒展开： !2))((''))((')()(2 0000x x f x x x f x f x f -+-+=ξ 略去二次项，得到)(x f 的线性近似式： ))((')()(000x x x f x f x f -+≈。 由此得到方程=)(x f 0的近似根(假定 ≠)('0x f 0)，)(')(000x f x f x x -= 即可构造出迭代格式(假定≠)('k x f 0)：)(') (1k k k k x f x f x x -=+ 公式(3.4.1) 这就是牛顿迭代公式，若得到的序列{k x }收敛于α，则α就是非线性方程的根。 2 牛顿迭代法也称为牛顿切线法，这是由于)(x f 的线 性化近似函数)(x l ＝))((')(000x x x f x f -+是曲线y ＝ )(x f 过点))(,(00x f x 的切线而得名的，求)(x f 的零点代之 以求)(x l 的零点，即切线)(x l 与x 轴交点的横坐标，如右图 所示，这就是牛顿切线法的几何解释。实际上，牛顿迭代法 也可以从几何意义上推出。利用牛顿迭代公式，由k x 得到1+k x ，从几何图形上看，就是过点))(,(k k x f x 作函数)(x f 的切线k l ，切线k l 与x 轴的交点就是1+k x ，所以有 1)()('+-=k k k k x x x f x f ，整理后也能得出牛顿迭代公式： )(') (1k k k k x f x f x x - =+。 3 要保证迭代法收敛，不管非线性方程=)(x f 0的形式如何，总可以构造： )()()(x f x k x x x -==? )0)((≠x k 作为方程求解的迭代函数。因为：)(')()()('1)('x f x k x f x k x --=? 而且)('x ?在根α附近越小，其局部收敛速度越快，故可令：0)('=α? 一、 填空题 1.若()()??? ? ??+???? ?????? ??=212121 312112)(x x x x x x x f ， 则=?)(x f ，=?)(2x f . 2.设f 连续可微且0)(≠?x f ，若向量d 满足 ，则它是f 在x 处的一个下降方向。 3.向量T )3,2,1(关于3阶单位方阵的所有线性无关的共轭向量有 . 4. 设R R f n →:二次可微，则f 在x 处的牛顿方向为 . 5.举出一个具有二次终止性的无约束二次规划算法： . 6.以下约束优化问题： )(01)(..)(min 212121 ≥-==+-==x x x g x x x h t s x x f 的K-K-T 条件为： . 7.以下约束优化问题： 1 ..)(min 212 2 21=++=x x t s x x x f 的外点罚函数为（取罚参数为μ） . 二、证明题（7分+8分） 1.设1,2,1,:m i R R g n i =→和m m i R R h n i ,1,:1+=→都是线性函数，证明下面的约束问题： } ,,1{, 0)(},1{, 0)(..)(min 1112 m m E j x h m I i x g t s x x f j i n k k +=∈==∈≥=∑= 是凸规划问题。 2.设R R f →2:连续可微，n i R a ∈，R h i ∈，m i ,2,1=，考察如下的约束条件问题： } ,1{,0} 2,1{,0..) (min 11m m E i b x a m I i b x a t s x f i T i i T i +=∈=-=∈≥- 设d 是问题 1 ||||,0,0..)(min ≤∈=∈≥?d E i d a I i d a t s d x f T i T i T 的解，求证：d 是f 在x 处的一个可行方向。 三、计算题（每小题12分） 1.取初始点T x )1,1()0(=.采用精确线性搜索的最速下降法求解下面的无约束优化问题（迭代2步）： 2 2 212)(min x x x f += 2.采用精确搜索的BFGS 算法求解下面的无约束问题： 212 2212 1)(min x x x x x f -+= 3.用有效集法求解下面的二次规划问题： . 0,001..42)(min 21212 12 221≥≥≥+----+=x x x x t s x x x x x f 4.用可行方向算法（Zoutendijk 算法或Frank Wolfe 算法）求解下面的问题（初值设为)0,0() 0(=x ,计算到)2(x 即可)： . 0,033..22 1)(min 21211222121≥≥≤+-+-= x x x x t s x x x x x x f 【教程】用计算器解方程（牛顿法）（转自土木论坛） 一、前言 很多计算器都自带利用标准式解方程的功能，解方程式，需要手动输入abc的值。但这样往往需要化简出abc到底是多少，这样容易计算错误，还加大了计算量，往往在注册考试中不实用。下面我介绍一个直接的方法，无需化简公式，就可以解出结果的方法。 二、利用此方法的好处 可解决所有公式变形问题，利用牛顿法解方程，一元方程可直接出结果，一元多次方程无需化简成标准形式，直接求解，大大节省化简、变形公式时间。提高做题效率，解决重复简单计算的厌恶感。提高做题准确率。 三、牛顿法解方程具体步骤 1、你的计算器是否有此功能 大多数科学计算器都长的差不多，但是考友们手里的计算器是否有该功能那就不一定了。无论是手算解方程还是计算器自动解方程，只要是方程，就有两个必不可少的元素：“等号=”，“未知数x”。以卡西欧fx-991es plus型号计算器举例，此型号计算器如图所示。只要带“等号=”、“未知数x”的科学计算器，就有解方程功能。需要注意的是，这里说的“等号=”并不是如图所示右下角的“=”，而是左上角那个红色的“=”。 细心的同学会发现，黄色的1号上档键SHIFT，对应的都是标志有黄色字体的功能；红色的2号上档键ALPHA，对应的都是标志有红色字体的功能。 2、输入方程 以解5x-9=3为例，这是一个简单的一元一次方程。而我们只需要把方程输入到计算器中，即可解出x。具体输入方法如下： （1）按数字“5” （2）按“2号上档键”，再按“方程中的未知数x键”。即：红色的ALPHA和白色的右半边括号。这样我们就输入了未知数x （3）按“-”，再按“9” （4）按“2号上档键”，再按“方程中的等号键”。即：红色的ALPHA和白色的CALC。这样我们就输入了“=” （5）按数字“3” 3、解方程 做到这里，我们的方程就已经输入好了。接下来我们解方程。 （1）按“1号上档键”，再按“方程中的等号键”。即：黄色的SHIFT和白色的CALC。 （2）此时，屏幕上显示为“x=？”此处计算器让我们输入一个大概的x值，我们随便输入一个2或者3或者5甚至是50都可以。但是不能太离谱，如果我们输入了10000，那么计算器会计算很长时间才能出结果。这里，我们输入5后按右下角“常规等号键”。 （3）稍等片刻，计算器显示L-R=0，X=2.4。做到这步其实我们已经解出来X了，在此我解释一下L-R=0，意思是真实值与计算值没有偏差。也就是计算完成了。如果此处L-R不等于0，那么我们也不用着急，按“常规等号键”继续让计算器计算即可。 4、一元多次方程 解一元多次方程，与一元一次方程的解法基本一致，先输入方程再解方程。但这里需要说明的是，多次方程的解不唯一，而牛顿法只能解出这些解其中的一个，计算器给我们的结果是哪个解呢？是随机的么？ 楼主告诉你，解不是随机的，而是一个我们解方程之前输入的那个与大概值的差最小的解。而这 #include do{ h=y/fy; vx=x-t*h; yy=newtonf(vx); /*if(fabs(yy)<=EEP){ printf("%d\t%lf\t\t%lf\t\t%lf\n\n",k,t,vx,yy); flag=1;break; }*/ if(fabs(yy)最优化牛顿法最速下降法共轭梯度法matlab代码
牛顿-科茨(Newton-Cotes)公式算法
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