A New Multi-Step Quasi-Newton Method for Unconstrained Optimization

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拟牛顿法算法步骤

拟牛顿法算法步骤

拟牛顿法算法步骤拟牛顿法(Quasi-Newton method)是一种求解无约束优化问题的数值优化算法。

与牛顿法类似,拟牛顿法在每一步都尝试找到目标函数的一阶或二阶导数的最小值。

然而,与牛顿法需要计算目标函数的二阶导数不同,拟牛顿法通过估计目标函数的Hessian矩阵来近似二阶导数。

以下是拟牛顿法算法的步骤:1. 初始化:选择初始点x_0和近似的Hessian矩阵H_0(通常选择单位矩阵I)。

设定迭代终止条件,包括最大迭代次数和目标函数值收敛阈值。

2.迭代计算:对于每一次迭代k,计算当前点的梯度g_k=∇f(x_k)。

3.判断终止条件:检查终止条件,包括梯度范数的大小和目标函数值的收敛性。

如果满足终止条件,则算法结束,返回当前点x_k作为近似的最优解。

否则,继续下一步。

4. 方向计算:计算当前点的方向d_k。

拟牛顿法的一个核心思想是通过近似Hessian矩阵来更新方向。

常用的方向选择是d_k = -H_k*g_k。

5.步长计算:选择合适的步长α_k。

步长的选择可以使用线或精确线来求解,确定使得目标函数值减小的最佳步长。

6.更新:对于下一次迭代k+1,更新当前点x_k+1=x_k+α_k*d_k。

7. 修正:根据拟牛顿法的思想,通过计算当前点和上一次迭代点的参数更新量来修正近似的Hessian矩阵H_k。

常用的修正方法是BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)或DFP(Davidon-Fletcher-Powell)。

8.返回第2步:回到第2步继续迭代计算,直到满足终止条件。

拟牛顿法的优点是避免了计算目标函数的二阶导数,节省了计算量,并且避免了计算不可行或无效的Hessian矩阵的情况。

另外,拟牛顿法还能够处理非线性和非凸优化问题。

需要注意的是,拟牛顿法也有一些局限性。

首先,由于需要存储和更新近似的Hessian矩阵,算法的内存消耗较大。

其次,近似Hessian矩阵的计算可能受到噪声或不可靠的梯度信息的影响,导致方向的不准确性。

拟牛顿法算法步骤

拟牛顿法算法步骤

拟牛顿法算法步骤拟牛顿法(Quasi-Newton Method)是一种用于无约束优化问题的迭代算法。

它的主要思想是利用得到的函数值和梯度信息近似估计目标函数的Hessian矩阵,并利用这个估计值来进行迭代优化。

拟牛顿法的算法步骤如下:1.初始化参数:选择初始点$x_0$作为迭代起点,设定迭代停止准则和迭代次数上限。

2. 计算目标函数的梯度:计算当前点$x_k$处的梯度向量$g_k=\nabla f(x_k)$。

3. 计算方向:使用估计的Hessian矩阵$B_k$和负梯度$g_k$来计算方向$d_k=-B_k g_k$。

4. 一维:通过线方法(如Armijo准则、Wolfe准则等)选择一个合适的步长$\alpha_k$,使得函数在方向上有明显的下降。

5. 更新参数:根据步长$\alpha_k$更新参数$x_{k+1}=x_k+\alpha_k d_k$。

6. 计算目标函数的梯度差:计算新点$x_{k+1}$处的梯度向量$g_{k+1}=\nabla f(x_{k+1})$。

7. 更新Hessian矩阵估计:根据梯度差$g_{k+1}-g_k$和参数差$\Delta x_k=x_{k+1}-x_k$,利用拟牛顿公式来更新Hessian矩阵估计$B_{k+1}=B_k+\Delta B_k$。

8.更新迭代次数:将迭代次数$k$加一:$k=k+1$。

9.判断终止:如果满足终止准则(如梯度范数小于给定阈值、目标函数值的变化小于给定阈值等),则停止迭代;否则,返回步骤310.输出结果:输出找到的近似最优解$x^*$作为优化问题的解。

拟牛顿法有许多不同的变体,最经典和最常用的是DFP算法(Davidon-Fletcher-Powell Algorithm)和BFGS算法(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno Algorithm)。

这两种算法都是基于拟牛顿公式来更新Hessian矩阵估计的,但具体的公式和更新规则略有不同,因此会产生不同的数值性能。

数学优化中的牛顿法和拟牛顿法

数学优化中的牛顿法和拟牛顿法

数学优化中的牛顿法和拟牛顿法在数学中,优化是一个非常重要的研究领域,其目的是找到使某个函数达到最大或最小值的变量集合。

在实际应用中,很多问题都可以转化为优化问题,如机器学习、经济学、物理学等。

在优化领域中,牛顿法和拟牛顿法是两种常见的方法。

本文将介绍这两种优化方法的基本原理、优缺点以及应用场景。

一、牛顿法牛顿法(Newton's method)是由数学家牛顿发明的非线性优化方法,其思想是利用函数的泰勒级数展开进行逼近。

具体来说,牛顿法先求出目标函数的一阶和二阶导数,然后使用二阶导数来逼近目标函数本身,进而得到近似最优解。

牛顿法的数学公式如下:$$\boldsymbol{x}_{k+1}= \boldsymbol{x}_{k} -{\boldsymbol{\nabla}^2 f(\boldsymbol{x}_k)^{-1}}\boldsymbol{\nabla} f(\boldsymbol{x}_k)$$其中,$\boldsymbol{x}_k$ 表示第 $k$ 次迭代的解,$\boldsymbol{\nabla} f(\boldsymbol{x}_k)$ 和$\boldsymbol{\nabla}^2 f(\boldsymbol{x}_k)$ 分别表示目标函数在$\boldsymbol{x}_k$ 处的一阶和二阶导数。

牛顿法的优点是收敛速度非常快,通常只需要很少的迭代次数即可达到最优解。

另外,牛顿法适用于连续可微、二阶可导的函数,因此适用范围广。

然而,牛顿法也存在一些缺点,例如无法处理不可导或一阶可导但二阶不可导的函数。

此外,牛顿法需要计算目标函数的二阶导数,因此在大规模问题上计算成本很高。

二、拟牛顿法拟牛顿法(quasi-Newton method)是一类基于牛顿法的优化算法,它通过逼近目标函数的海森矩阵来求解。

拟牛顿法没有计算海森矩阵的显式表达式,而是通过估计海森矩阵的变化来逼近。

最简单和最流行的拟牛顿法是BFGS算法和L-BFGS算法。

牛顿法程序

牛顿法程序

牛顿法程序牛顿法是一种常用的数值计算方法,常被用于求解方程的根。

它的基本思想是通过不断迭代逼近方程的根,直到找到满足精度要求的解。

下面将介绍牛顿法的原理和实现过程。

一、原理牛顿法的核心思想是利用函数的局部线性逼近来寻找方程的根。

具体来说,假设我们要求解方程f(x)=0的根,首先选取一个初始点x0,然后通过函数的切线来逼近方程的根。

根据切线的定义,切线的斜率等于函数在该点的导数。

因此,我们可以用切线的方程来表示初始点x0和方程根之间的关系:f(x0)+f'(x0)(x-x0)=0将上述方程解出x,即可得到一个新的逼近点x1。

重复此过程,直到找到满足精度要求的解。

二、实现过程下面是一个使用牛顿法求解方程根的Python程序示例:```pythondef newton_method(f, df, x0, epsilon, max_iter):x = x0iter_count = 0while abs(f(x)) > epsilon and iter_count < max_iter: x = x - f(x) / df(x)iter_count += 1if abs(f(x)) <= epsilon:return xelse:return None# 测试函数def f(x):return x**2 - 2# 测试函数的导数def df(x):return 2*x# 初始点x0 = 1# 精度要求epsilon = 1e-6# 最大迭代次数max_iter = 100# 调用牛顿法求解方程的根root = newton_method(f, df, x0, epsilon, max_iter)if root is not None:print("方程的根为:", root)else:print("未找到方程的根")```在上述程序中,我们首先定义了一个`newton_method`函数,接受一个函数`f`、其导数函数`df`、初始点`x0`、精度要求`epsilon`和最大迭代次数`max_iter`作为参数。

机器学习算法系列最速下降法牛顿法拟牛顿法

机器学习算法系列最速下降法牛顿法拟牛顿法

机器学习算法系列最速下降法牛顿法拟牛顿法最速下降法、牛顿法和拟牛顿法都是常用的机器学习优化算法。

它们在求解函数最小化问题中起到关键作用。

1. 最速下降法(Gradient Descent):最速下降法是一种基于函数梯度的迭代优化算法。

其核心思想是沿着负梯度方向以步长α更新参数,直到达到收敛条件。

最速下降法的步骤如下:1)选择初始参数值;2)计算目标函数的梯度;3)沿着负梯度方向更新参数;4)重复步骤2和步骤3,直到达到停止条件。

最速下降法的优点是简单易实现,但它可能会面临局部最小值的问题,收敛速度较慢。

2. 牛顿法(Newton's Method):牛顿法是一种二阶优化算法,利用目标函数的一阶和二阶导数信息来更新参数。

它通过二阶导数矩阵(即Hessian矩阵)来指导方向和步长的选择。

牛顿法的步骤如下:1)选择初始参数值;2)计算目标函数的一阶和二阶导数;3)解线性方程(Hessian矩阵和梯度的乘积);4)更新参数;5)重复步骤2-步骤4,直到达到停止条件。

牛顿法的优点是收敛速度快,但它需要计算二阶导数矩阵,计算量较大,且可能收敛到非全局最小值。

3. 拟牛顿法(Quasi-Newton Methods):拟牛顿法是一种基于牛顿法思想的近似优化算法。

与牛顿法不同,拟牛顿法通过正定矩阵来近似二阶导数矩阵,从而避免了计算复杂的二阶导数矩阵。

拟牛顿法最经典的算法是BFGS算法(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno),它通过近似更新逆Hessian矩阵的方式来求解优化问题。

拟牛顿法的步骤如下:1)选择初始参数值和初始逆Hessian矩阵的估计;2)计算目标函数的梯度;3)更新参数;4)更新逆Hessian矩阵的估计;5)重复步骤2-步骤4,直到达到停止条件。

拟牛顿法的优点是避免了计算二阶导数矩阵,计算复杂度相对较低,且具有较好的收敛性质。

总结来说,最速下降法适用于简单的优化问题,牛顿法适用于二次型问题,而拟牛顿法在保持收敛速度的同时减少了计算复杂度。

matlab牛顿法代码举例

matlab牛顿法代码举例

matlab牛顿法代码举例使用 MATLAB 实现牛顿法的示例代码。

牛顿法(也称为牛顿-拉弗森方法)是一种在实数和复数域上求解方程的数值方法。

该方法使用函数和其导数的值来寻找函数零点的近似值。

function [root, iter] = newtonMethod(func, dfunc, x0, tol, maxIter) "%"newtonMethod 使用牛顿法求解方程"%"输入:"%"func - 目标函数"%"dfunc - 目标函数的导数"%"x0 - 初始猜测值"%"tol - 容差,求解精度"%"maxIter - 最大迭代次数"%"输出:"%"root - 方程的根"%"iter - 迭代次数x = x0;for iter = 1:maxIterfx = func(x);dfx = dfunc(x);if abs(dfx) < epserror('导数太小,无法继续迭代');endxnew = x - fx/dfx;if abs(xnew - x) < tolroot = xnew;return;endx = xnew;enderror('超过最大迭代次数');end"%"示例: 求解 x^3 - x - 2 = 0func = @(x) x^3 - x - 2;dfunc = @(x) 3*x^2 - 1;x0 = 1; "%"初始猜测值tol = 1e-6; "%"容差maxIter = 1000; "%"最大迭代次数[root, iter] = newtonMethod(func, dfunc, x0, tol, maxIter);fprintf('根是: "%"f, 在 "%"d 次迭代后找到\n', root, iter);在这个代码中,newtonMethod 函数接收一个函数 func 及其导数 dfunc,一个初始猜测值,容差和最大迭代次数 maxIter。

拟牛顿法

拟牛顿法

•主页•专栏作家•量化基础理论•软件使用经验•量化软件•资源导航•资料下载•量化论坛搜索搜索用户登录用户名:*密码:*登录•创建新帐号•重设密码首页拟牛顿法及相关讨论星期三, 2009-06-17 00:24 —satchel1979使用导数的最优化算法中,拟牛顿法是目前为止最为行之有效的一种算法,具有收敛速度快、算法稳定性强、编写程序容易等优点。

在现今的大型计算程序中有着广泛的应用。

本文试图介绍拟牛顿法的基础理论和若干进展。

牛顿法(Newton Method)牛顿法的基本思想是在极小点附近通过对目标函数做二阶Taylor展开,进而找到的极小点的估计值[1]。

一维情况下,也即令函数为则其导数满足因此(1)将作为极小点的一个进一步的估计值。

重复上述过程,可以产生一系列的极小点估值集合。

一定条件下,这个极小点序列收敛于的极值点。

将上述讨论扩展到维空间,类似的,对于维函数有其中和分别是目标函数的的一阶和二阶导数,表现为维向量和矩阵,而后者又称为目标函数在处的Hesse矩阵。

设可逆,则可得与方程(1)类似的迭代公式:(2)这就是原始牛顿法的迭代公式。

原始牛顿法虽然具有二次终止性(即用于二次凸函数时,经有限次迭代必达极小点),但是要求初始点需要尽量靠近极小点,否则有可能不收敛。

因此人们又提出了阻尼牛顿法[1]。

这种方法在算法形式上等同于所有流行的优化方法,即确定搜索方向,再沿此方向进行一维搜索,找出该方向上的极小点,然后在该点处重新确定搜索方向,重复上述过程,直至函数梯度小于预设判据。

具体步骤列为算法1。

算法1:(1) 给定初始点,设定收敛判据,.(2) 计算和.(3) 若< ,则停止迭代,否则确定搜索方向.(4) 从出发,沿做一维搜索,令.(5) 设,转步骤(2).在一定程度上,阻尼牛顿法具有更强的稳定性。

拟牛顿法(Quasi-Newton Method)如同上一节指出,牛顿法虽然收敛速度快,但是计算过程中需要计算目标函数的二阶偏导数,难度较大。

Res2dinv说明中文版_丁_翻译

Res2dinv说明中文版_丁_翻译

前言RES2DINV 是一个能够自动反演2D电性拟断面的电脑程序。

这是一个标准的windows窗口程序,支持所有windows兼容的显示器和打印机,并在最高达1600×1200分辨率、256色的显示器上测试成功。

很抱歉本人英语水平有限,没能将全部说明书翻译。

以下内容是本人在使用软件过程中,按照操作流程,将用到的菜单及选项依次翻译成了中文。

对于一些选项加了自己的说明。

使用方法:一、File→1.read data file说明:读数据文件二、. Edit→1.exterminate bad datum points说明:去除坏数据点三、change settings→1.Damping factors说明:阻尼系数。

数据噪声大选大点的值2.Limit range of model resistivity说明:限制模型电阻率范围3.Vertical/horizontal flatness filter ratio说明:垂直/水平平坦滤波比。

拟断面上主异常为纵向则选大一点,如2.0。

水平主异常选小值,如0.5。

4.Reduce variations near borehole说明:减小钻孔附近的变异。

第一个框表示梯度值,钻孔附近按梯度值变化。

第2 个框按据钻孔的距离压缩,数值越小,钻孔附近异常压缩越厉害。

5.Finite mesh grid size说明:有限网格大小。

4更好一点,也更占内存。

(一般的拟断面可以选4)6.Use finite-element method说明,选择有限元法或者有限差法。

()7.Mesh refinement说明:网格细化,第一行:如果电阻率变化在1-50之间,用normal mesh。

如果电阻率变化在1-500之间,用finer mesh。

如果电阻率变化超过1-500,用finest mesh。

(耗时间)第二行:有限网格大小,(每连个电极之间的节点数)如果第一行选择finer mesh 或者finest mesh ,则选4。

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ABSTRACT
Previous work on so-called “fixed-point” multi-step quasi-Newton methods for unconstrained optimization employed the latest iterate as the “base point” for calculating the parameter values needed to carry out the requisite interpolations in the variable- and gradient-spaces at each iteration. In this paper, we consider the use of an alternative base point and derive the formulae required to implement the new method in a computationally efficient manner. Numerical experiments are carried out to assess the usefulness of the new approach, by comparison with existing algorithms. On the basis of the experimental results, some conclusions are drawn.
2. The Secant Equation The matrix Bk is used in quasi-Newton methods to approximate the Hessian G(xk), as outlined above. It is reasonable to require that the approximation must be revised at each iteration to reflect the change that would occur in the Hessian. In order to update the approximation, it is necessary to derive a condition ensuring that the approximation is a suitable one; otherwise it would be likely that the desirable aspects of Newton’s method would be forfeited. This condition is known as the Secant (or quasi-Newton) equation, and is derived by Ford and Moghrabi (1994) as an approximation to the Newton equation,
1. Introduction We consider algorithms for the solution of the problem “minimise f(x)”, where x has dimension n and f is a given function possessing continuous first partial derivatives. In Newton’s method, it is assumed, further, that second partial derivatives exist and the search direction needed to compute the next iterate, xk+1, from the current one, xk, is calculated from G(xk) pk = -g(xk), where G(xk) is the Hessian and g(xk) is the gradient of the function evaluated at xk, and pk is the search direction at iteration k. Typically, a line search is then used to find (at least approximately) the minimum of the function along the chosen search direction, and in this way xk+1 is computed from xk. For a function of dimension n, the Hessian is a matrix of dimension (n x n), and so a set of linear equations must be solved at each iteration. This represents a substantial amount of computation during each step of the algorithm, and can be expected to have a serious impact on the time required to compute the minimum. Quasi-Newton
3பைடு நூலகம்
which (in turn) is obtained from an application of the Chain Rule to the vector function g(x(τ)):
∗ d x(τ ∗ ) d g( x(τ )) = G( x(τ )) . dτ dτ ∗
Here, x(τ) is any differentiable curve in the variable-space. If, specifically, we take {x(τ)} to be the line which interpolates the last two iterates xi+1 and xi : x(τ ) ≡ x i + τ s i where s i = x i +1 − x i and τ* is any specific value of τ. Then x(0) = xi, x(1) = xi+1 and dx = si . dτ It is not generally possible to compute an exact value for dg / dτ as this calculation requires the Hessian, which is not available to us. Therefore we estimate it using the values of g already known (since further values are assumed to be computationally expensive to calculate in practical problems). These values are g(x(0)) and g(x(1)), i.e. g(xi) and g(xi+1), and we obtain: d g( x(τ ∗ )) dτ ≅ g ( x i +1 ) − g ( x i ) = y .
methods were developed in an attempt to remove the disadvantages imposed by the use of the Hessian matrix in Newton’s method, whilst retaining (as far as possible) the convergence properties. The overheads involved with maintaining the Hessian are overcome by the use of an approximation to it, which is updated at each iteration to reflect the change which would occur in the actual Hessian. The search direction in quasi-Newton methods is computed thus (by analogy with the process described above for Newton’s Method):
i
We saw that xi+1 = x(1). Thus, we take τ* = 1, and the Newton equation then becomes: G( x i +1 ) s i ≅ y i . The Secant equation requires that this relationship is satisfied by the Hessian approximation as an equality, i.e. Bi +1 s i = y i ,
2
Bk pk = -g(xk), where Bk is an (n x n) matrix which approximates G(xk). (Of course, the direction pk resulting from solution of this linear system will differ, in general, from that arising from Newton’s Method.) The use of an approximation to the Hessian has removed the need for the user to derive and code the Hessian definition into a program that implements the Newton method, but this new definition of the search direction still involves solving an identicallysized system of linear equations at each iteration. This disadvantage is overcome by working with the inverse of the approximation. Defining Hk = Bk-1 gives the following equation to compute pk: pk = - Hk g(xk). The search direction is now computed by a matrix-vector multiplication, a computation of order n2, rather than having to solve a full linear system of equations, which is a computation of order n3.
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