最优化梯度法和共轭梯度法
最优化方法
随机梯度下降每次迭代只使用一个样本，迭代 一次计算量为n 2 ，当样本个数m很大的时候， 随机梯度下降迭代一次的速度要远高于批量梯 度下降方法。 两者的关系可以这样理解：随机 梯度下降方法以损失很小的一部分精确度和增 加一定数量的迭代次数为代价，换取了总体的 优化效率的提升。增加的迭代次数远远小于样 本的数量。
2. 牛顿法和拟牛顿法（Newton's method & Quasi-Newton Methods）
牛顿法（Newton's method） 牛顿法是一种在实数域和复数域上近似求解方程 的方法。方法使用函数 f ( x ) 的泰勒级数的前 面几项来寻找方程 f ( x ) = 0 的根。牛顿法最大 的特点就在于它的收敛速度很快。
具体步骤：
首先，选择一个接近函数 f ( x ) 零点的 x 0 ， 计算相应的 f ( x 0 ) 和切线斜率 f ' (x 0 ) （这 里 f ' 表示函数 f 的导数）。然后我们计算穿 过点 (x 0 , f (x 0 )) 并且斜率为 f '(x 0 ) 的直线 和 x 轴的交点的 x 坐标，也就是求如下方程的 解：
批量梯度下降法（Batch Gradient Descent,BGD）
（1）将J(theta)对theta求偏导，得到每个theta对应 的的梯度：
（2）由于是要最小化风险函数，所以按每个参数 theta的梯度负方向，来更新每个theta：
（3）从上面公式可以注意到，它得到的是一个全 局最优解，但是每迭代一步，都要用到训练集 所有的数据，如果m很大，那么可想而知这种 方法的迭代速度会相当的慢。所以，这就引入 了另外一种方法——随机梯度下降。 对于批量梯度下降法，样本个数m，x为n维向 量，一次迭代需要把m个样本全部带入计算， 迭代一次计算量为m*n 2 。
Matlab中的最优化问题求解方法
Matlab中的最优化问题求解方法近年来，最优化问题在各个领域中都扮演着重要的角色。
无论是在工程、经济学还是科学研究中，我们都需要找到最优解来满足特定的需求。
而Matlab作为一种强大的数值计算软件，在解决最优化问题方面有着广泛的应用。
本文将介绍一些Matlab中常用的最优化问题求解方法，并探讨其优缺点以及适用范围。
一. 无约束问题求解方法1. 最速下降法最速下降法是最简单且直观的无约束问题求解方法之一。
其基本思想是沿着梯度的反方向迭代求解，直到达到所需的精度要求。
然而，最速下降法的收敛速度通常很慢，特别是在局部极小值点附近。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是一种改进的最速下降法。
它利用了无约束问题的二次函数特性，通过选择一组相互共轭的搜索方向来提高收敛速度。
相比于最速下降法，共轭梯度法的收敛速度更快，尤其适用于大规模优化问题。
3. 牛顿法牛顿法是一种基于二阶导数信息的优化方法。
它通过构建并求解特定的二次逼近模型来求解无约束问题。
然而，牛顿法在高维问题中的计算复杂度较高，并且需要矩阵求逆运算，可能导致数值不稳定。
二. 线性规划问题求解方法1. 单纯形法单纯形法是一种经典的线性规划问题求解方法。
它通过在可行域内进行边界移动来寻找最优解。
然而，当问题规模较大时，单纯形法的计算复杂度会大幅增加，导致求解效率低下。
2. 内点法内点法是一种改进的线性规划问题求解方法。
与单纯形法不同，内点法通过将问题转化为一系列等价的非线性问题来求解。
内点法的优势在于其计算复杂度相对较低，尤其适用于大规模线性规划问题。
三. 非线性规划问题求解方法1. 信赖域算法信赖域算法是一种常用的非线性规划问题求解方法。
它通过构建局部模型，并通过逐步调整信赖域半径来寻找最优解。
信赖域算法既考虑了收敛速度，又保持了数值稳定性。
2. 遗传算法遗传算法是一种基于自然进化过程的优化算法。
它模拟遗传操作，并通过选择、交叉和变异等操作来搜索最优解。
遗传算法的优势在于其适用于复杂的非线性规划问题，但可能需要较长的计算时间。
优化设计梯度法和共轭梯度法
优化设计梯度法和共轭梯度法梯度法和共轭梯度法是常用的数值优化算法，用于求解非线性优化问题。
它们在工程领域中的应用广泛，能够有效解决很多实际问题。
本文将对优化设计梯度法和共轭梯度法进行介绍，并比较它们的优劣。
1. 优化设计梯度法优化设计梯度法是一种通过调整设计变量来最小化给定目标函数的方法。
它基于梯度下降的思想，每一步都会更新设计变量的取值，使得目标函数在设计变量的邻域内最小化。
优化设计梯度法的具体步骤如下：1）初始化设计变量；2）计算目标函数在当前设计变量取值下的梯度；3）根据梯度方向和步长因子更新设计变量；4）重复步骤2和步骤3，直到满足收敛条件。
优化设计梯度法的优点是简单易用，容易实现。
但是它也存在一些问题，比如容易陷入局部最小值，收敛速度慢等。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是一种通过迭代算法求解线性方程组的方法，也可以用于非线性优化问题。
它的特点是每一步迭代都要寻找一个新的搜索方向，使得每一次迭代都能够有效利用之前的搜索历史。
共轭梯度法的具体步骤如下：1）初始化设计变量和搜索方向；2）计算目标函数在当前设计变量取值下的梯度；3）根据搜索方向和步长因子更新设计变量；4）计算新的搜索方向，使其与上一次的搜索方向共轭；5）重复步骤2到步骤4，直到满足收敛条件。
共轭梯度法的优点是能够在较少的迭代次数内收敛到最优解，且具有较好的数值稳定性。
然而，共轭梯度法在非精确线搜索时有一定局限性，并且对于非二次凸函数可能陷入非全局最小值。
3. 优化设计梯度法与共轭梯度法的比较在实际应用中，选择合适的优化算法对于问题的解决和效率的提高至关重要。
下面对优化设计梯度法和共轭梯度法进行比较。
（1）收敛速度：在一般情况下，共轭梯度法比优化设计梯度法收敛速度更快。
这是由于共轭梯度法在搜索方向上的选择更加优化。
（2）算法复杂度：优化设计梯度法通常较为简单，易于实现，而共轭梯度法则相对复杂一些，需要额外计算共轭方向。
（3）全局最优解：共轭梯度法在处理非二次凸函数时可能陷入局部最小值，而优化设计梯度法的表现相对较差。
最优化问题的算法迭代格式
最优化问题的算法迭代格式最优化问题的算法迭代格式最优化问题是指在一定的条件下，寻找使某个目标函数取得极值（最大值或最小值）的变量取值。
解决最优化问题的方法有很多种，其中较为常见的是迭代法。
本文将介绍几种常用的最优化问题迭代算法及其格式。
一、梯度下降法梯度下降法是一种基于负梯度方向进行搜索的迭代算法，它通过不断地沿着目标函数的负梯度方向进行搜索，逐步接近极值点。
该方法具有收敛速度快、易于实现等优点，在许多应用领域中被广泛使用。
1. 算法描述对于目标函数 $f(x)$，初始点 $x_0$ 和学习率 $\alpha$，梯度下降算法可以描述为以下步骤：- 计算当前点 $x_k$ 的梯度 $\nabla f(x_k)$；- 更新当前点 $x_k$ 为 $x_{k+1}=x_k-\alpha\nabla f(x_k)$；- 如果满足停止条件，则输出结果；否则返回第 1 步。
2. 算法特点- 沿着负梯度方向进行搜索，能够快速收敛；- 学习率的选择对算法效果有重要影响；- 可能会陷入局部极小值。
二、共轭梯度法共轭梯度法是一种基于线性方程组求解的迭代算法，它通过不断地搜索与当前搜索方向共轭的新搜索方向，并在该方向上进行一维搜索，逐步接近极值点。
该方法具有收敛速度快、内存占用少等优点，在大规模问题中被广泛使用。
1. 算法描述对于目标函数 $f(x)$，初始点 $x_0$ 和初始搜索方向 $d_0$，共轭梯度算法可以描述为以下步骤：- 计算当前点 $x_k$ 的梯度 $\nabla f(x_k)$；- 如果满足停止条件，则输出结果；否则进行下一步；- 计算当前搜索方向 $d_k$；- 在当前搜索方向上进行一维搜索，得到最优步长 $\alpha_k$；- 更新当前点为 $x_{k+1}=x_k+\alpha_k d_k$；- 计算新的搜索方向 $d_{k+1}$；- 返回第 2 步。
2. 算法特点- 搜索方向与前面所有搜索方向都正交，能够快速收敛；- 需要存储和计算大量中间变量，内存占用较大；- 可以用于非线性问题的求解。
人工智能中的优化算法比较
人工智能中的优化算法主要用于寻找最优解或最优参数，可以应用于各种问题，如机器学习模型训练、路径规划、资源分配等。
以下是一些常见的优化算法的比较：
1. 梯度下降法：是最基础的优化算法之一，用于找到函数的最小值。
其中的随机梯度下降法（SGD）在处理大规模数据和模型时尤其有效。
2. 牛顿法：是一种寻找函数的零点的优化算法，优点是能快速找到函数的局部最小值，缺点是可能陷入局部最优。
3. 共轭梯度法：是一种在梯度下降法的基础上改进的算法，可以处理具有非凸函数和多个极小值的优化问题，但计算复杂度较高。
4. 遗传算法：是一种模拟自然选择和遗传学机制的优化算法，适用于大规模搜索和多峰概率问题，但可能找不到全局最优解。
5. 模拟退火算法：是一种寻找全局最优的优化算法，通过引入温度参数和退火机制，能够处理具有约束条件的优化问题，但温度参数的选择会影响算法的性能。
6. 蚁群优化算法：是一种受自然界中蚂蚁寻径行为启发的优化算法，适用于大规模搜索问题，但易陷入局部最优解。
这些算法各有优缺点，适用于不同的问题和场景。
在实际应用中，需要根据具体问题选择合适的算法，并进行相应的调整和优化。
同时，也可以将多种算法结合起来使用，以提高搜索效率和精度。
共轭方向与共轭梯度法-最优化方法
f (X1)T P0 0 ，所以 f (X1)T P0 1P1TQ P0 0
P1TQ P0 0
（1）
以上就是搜索方向P1所必须满足的（必要） 条件。这也是使X2是极小点的充分条件。 P1，P2称为关于Q的共轭方向。
讨论表明 对于二维的具有正定矩阵Q的 二次函数f(X),从任一初始点出发，依次沿关 于Q共轭的两个方向进行一维搜索，必可达到 f(X)的无约束精确极小点。
Pk 1
0
且对j 0,1 , k 2, 有
PjT QPk PjT Q f ( X k ) k1Pk1
PjT Qf
(X
k
)
k
PT
1 j
QPk
1
f ( X k )T QPj
f ( X k )T f ( X j1) f ( X j ) j
f ( X k1 ) QX k1 b Q( X k k Pk ) b (2)
f ( X k1 ) f ( X k ) k QPk
所以
f ( X m ) f ( X m1) m1QPm1
f ( X m2 ) m2QPm2 m1QPm1
其中1 是最优步长，1>0 .因为 X * 是无约束极小点。
故 f ( X * ) 0 即 QX * b 0
f (X1) QX1 b
Q( X * 1P1) b (QX * b) 1QP1 1QP1
又因为 X1是f(X)沿P0方向的直线l0上的极小点，故
设 X En ,
,Q为对称正定矩阵，P0，
P1，···，Pm-1是关于Q共轭的m个共轭方向，
共轭梯度法在优化问题中的应用
共轭梯度法在优化问题中的应用共轭梯度法是一种高效的优化算法，在许多优化问题中都得到了广泛的应用。
它是一种迭代方法，用于解决最小化二次函数的优化问题。
在本文中，我将介绍共轭梯度法的原理和算法，并探讨它在优化问题中的应用。
一、共轭梯度法的原理共轭梯度法的核心思想是通过迭代的方式，找到一个与之前迭代步骤方向相互垂直的搜索方向，以加快收敛速度。
在每一次迭代中，共轭梯度法根据当前的搜索方向更新搜索点，直到找到最优解或达到预定的收敛标准。
具体来说，共轭梯度法从一个初始搜索点开始，计算对应的梯度，并沿着负梯度方向进行搜索。
通过一定的方法找到一个与之前搜索方向相互垂直的新搜索方向，并以一定步长更新搜索点。
迭代过程将重复进行，直到满足收敛标准或达到最大迭代次数。
二、共轭梯度法的算法共轭梯度法的算法包括以下几个步骤：1. 初始化搜索点x0和梯度g0，设置迭代次数k=0。
2. 计算当前搜索方向d_k=-g_k（k为当前迭代次数）。
3. 通过一维搜索方法找到最佳步长α_k。
4. 更新搜索点x_k+1 = x_k + α_k * d_k。
5. 计算更新后的梯度g_k+1。
6. 判断是否满足收敛标准，若满足则算法停止，否则转到步骤7。
7. 计算新的搜索方向β_k+1。
8. 将迭代次数k更新为k+1，转到步骤3。
这个算法保证了每一次迭代中的搜索方向都是彼此相互垂直的，从而加快了收敛速度。
三、共轭梯度法的应用共轭梯度法在优化问题中有广泛的应用，特别是在二次规划、线性规划和非线性规划等领域。
在二次规划问题中，共轭梯度法可以高效地求解线性系统Ax=b，其中A是一个对称正定的矩阵。
由于共轭梯度法的特性，它只需要进行n 次迭代，其中n是问题的维度，就能得到精确的解。
这使得共轭梯度法在大规模线性系统求解中具有重要的应用价值。
在线性规划问题中，共轭梯度法可以用于求解带有线性约束的最小二乘问题。
共轭梯度法通过将线性约束转化为一系列的正交子空间，从而在求解最小二乘问题时能够更快地收敛。
最优化梯度法和共轭梯度法
函数的极小点。
以下分析算法的具体步骤。
(1) 任取初始点 x (1)，第一个搜索方向取为 d (1) f ( x (1) ) ；
( 2) 设已求得点 x ( k 1) ， f ( x ( k 1) ) 0 ， g k 1 f ( x ( k 1) ) ， 若 令
局部目标函数值下降最快的方向。 最速下降法是线性收敛的算法。
三. 共轭梯度法
1. 共轭方向和共轭方向法
R 定义 设 A 是 n n 的对称正定矩阵，对于 n中的两个非零向量d 1 和 d 2，
若有 d
1T
Ad 2 0 ，则称 d 1和d 2关于A共轭。
设 d 1 , d 2 ,, d k 是 Rn 中一组非零向量，如果 它们两两关于A
以任意的 x (1) R n为初始点，依次沿 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 进行搜索，
得到点 x ( 2) , x ( 3) ,, x ( k 1) , 则 x ( k 1) 是函数 f ( x )在 x (1) Bk 上的
极小点，其中
Bk { x | x i d ( i ) , i R }
i
d ( i ) A g i 1 d
( i )T
T
Ad
(i )
g i 1T A d ( i ) d
( i )T
Ad ( i )
g i 1T A[ ( x ( i 1) x ( i ) ) / i ] d
( i )T
A [ ( x ( i 1) x ( i ) ) / i ]
共轭，即 d i Ad j 0 , i j , i , j 1 , 2 ,, k 。
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向量，则这个向量组线性无关。
证明
设存在实数 1 , 2 ,, k ，使得
i 1
id 0,
T
k
i
上式两边同时左乘 d j A ，则有
i 1 k
id
k
jT
Ad i 0 ,
因为 d 1 , d 2 ,, d 是 k 个 A 共轭的向量，所以上式可化简为
jd
j
jT
Ad j 0 .
i 1
k
是由 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 生成的子空间。特别地， 当 k n时， x ( n 1 )是 f ( x )在R n上的唯一极小点。
推论
在上述定理条件下，必有
f ( x ( k 1) )T d ( i ) 0 , i 1 , 2 , , k 。
注： 因为梯度法的搜索方向 d k 1 f ( x k k d k )， 所以
(d k 1 )T d k 0 d k 1 d k 。
锯齿现象
在极小点附近，目标函数可以用二次函数近似，其等值面近似
椭球面。
x2 x3
x*
x1
注
最速下降方向反映了目 标函数的一种局部性质 。 它只是
( k 1) (k ) (k ) x x d k f ( x ( k ) d ( k ) ) min f ( x ( k ) d ( k ) ) k
直到某个 x ( k ) 满足 f ( x ( k ) ) 0。
注 由定理2可知，利用共轭方向法 求解上述极小化问题， 至多经过
4. 令 x k 1 x k k d k , 令 k : k 1 , 转2。
2 2 例. 用最速下降法求解 : min f ( x ) x1 3 x2 , 设初始点为 x 1 ( 2 , 1 )T ,
求迭代一次后的迭代点 x 2 。
解： f ( x ) ( 2 x1 , 6 x 2 )T ,
( ) f ( x ( k ) d ( k ) )T d ( k ) 0，
[ A ( x ( k ) d ( k ) ) b ]T d ( k ) 0，
令
g k f ( x ( k ) ) Ax ( k ) b，则有 [ g k Ad ( k ) ]T d ( k ) 0，
解得 k
T (k ) gk d
d
( k )T
Ad
(k )
( 3)
定理 3 对于正定二次函数 f ( x )
( i )T
1 T x Ax bT x c ， FR算法在 m n次 2 一维搜索后即终止，并 且对所有的（ i 1 i m），下列关系成立
(1) d
Ad ( j ) 0 , j 1 , 2 ,, i 1;
以任意的 x (1) R n为初始点，依次沿 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 进行搜索，
得到点 x ( 2) , x ( 3) ,, x ( k 1) , 则 x ( k 1) 是函数 f ( x )在 x (1) Bk 上的
极小点，其中
Bk { x | x i d ( i ) , i R }
梯度法和共轭梯度法
1. 无约束最优化问题 2. 梯度法 3. 共轭梯度法
一. 无约束最优化问题
无约束最优化问题 min
f ( x) x Rn
s.t .
其中f ( x ) 有一阶连续偏导数。
解析方法：利用函数的解析性质构造迭代公式使之收敛到最优解。
二. 梯度法（最速下降法） 迭代公式：
x k 1 x k k d k
i
g i 1T ( g i 1 g i ) d
( i )T
( g i 1 g i )
2
|| g i 1 || 2 d
( i )T
gi
|| gi 1 || 2 || g i ||
( 4)
FR算法步骤：
1. 任取初始点 x (1) ， 精度要求 ，令 k 1。
2. 令g1 f ( x (1) ) , 若 || g1 || , 停止， x (1)为所求极小点； 否则，令d (1) g1 , 利用公式（3）计算1 ， 令x ( 2) x (1) 1 d (1)。 3. 令g k 1 f ( x ( k 1) ) , 若 || g k 1 || , 停止， x ( k 1)为所求极小点； 否则，令d ( k 1) g k 1 k d ( k ) , 其中 k 用公式（4）计算。
则有 f ( x k k d k )T d k 0 。
令 ( ) f ( x k d k )， 所以 证明：
( ) f ( x k d k )T d k .
f ( x k k d k ) min f ( x k d k )
( k ) f ( x k k d k )T d k 0 .
如何选择下降最快的方向？
f ( x k ) 函数值增加最快的方向
xk
函数值下降的方向
f ( x k ) 函数值下降最快的方向
梯度法（最速下降法）：
1. 搜索方向： d k f ( x k ) , 也称为最速下降方向；
2. 搜索步长: k 取最优步长 , 即满足 f ( x k k d k ) min f ( x k d k ) 。
处的梯度方向构造一组共轭方向，并沿此方向进行搜索，求出
函数的极小点。
以下分析算法的具体步骤。
(1) 任取初始点 x (1)，第一个搜索方向取为 d (1) f ( x (1) ) ；
( 2) 设已求得点 x ( k 1) ， 若f (( x ( k 1) ) ，
则下一个搜索方向 d ( k 1)按如下方式确定:
令 d ( k 1) g k 1 k d ( k )
(1)
如何确定 k？
要求 d ( k 1) 和 d ( k ) 关于 A共轭。
则在（ 1）式两边同时左乘 d ( k ) A ，得
T
0 d ( k ) Ad ( k 1) d ( k ) Agk 1 k d ( k ) A d ( k )
解得 k d ( k ) A g k 1 d
( k )T T
T
T
T
Ad
(k )
( 2)
(3) 搜索步长的确定 :
已知迭代点 x ( k )和搜索方向d ( k ) , 利用一维搜索确定最优步长 k ，
即求解
记 令 即有
min
f ( x ( k ) d ( k ) ) 。
( ) f ( x ( k ) d ( k ) ) ,
d 1 f ( x 1 ) ( 4 , 6 )T . x 1 d 1 ( 2 4 , 1 6 )T . 令 ( ) f ( x 1 d 1 ) ( 2 4 ) 2 3 ( 1 6 ) 2 ，
求解
min ( )
T (i ) T 2 (3) 由定理3的（3）可知， g i d g i g i || g i || 0 ,
所以 d ( i )是迭代点 x ( i ) 处的下降方向。
(4) 由定理3 ， FR算法中 i的计算公式可以简化。
i
d ( i ) A g i 1 d
( i )T
d (1)T Ad ( 2) 0,
即等值面上一点处的切 向量与由这一点指向极小点的向量关于A 共轭。
1 T x Ax bT x c ， 2 其中 A 是 n 阶对称正定矩阵。 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 是 一组A共轭向量。
定理 2. 设有函数
f ( x)
局部目标函数值下降最快的方向。 最速下降法是线性收敛的算法。
三. 共轭梯度法
1. 共轭方向和共轭方向法
Rn中的两个非零向量d 1 和 d 2， 定义 设 A 是 n n 的对称正定矩阵，对于
若有 d
1T
Ad 2 0 ，则称 d 1和d 2关于A共轭。
设 d 1 , d 2 ,, d k 是 Rn 中一组非零向量，如果 它们两两关于A
(2) gi T g j 0 , j 1 , 2 ,, i 1;
( 3) g iT d ( i ) g iT g i 。
注 （1）由定理3 可知搜索方向d (1) , d ( 2 ) ,, d ( m ) 是 A 共轭的。
(2) 算法中第一个搜索方向 必须取负梯度方向，否 则构造的搜索 方向不能保证共轭性。
共轭，即 d i Ad j 0 , i j , i , j 1 , 2 ,, k 。
T
则称这组方向是关于 A共轭的，也称它们是一 组A共轭方向。
注：如果A是单位矩阵，则
d
1T
I d 0d
2
1T
d2 0
d1 d 2
共轭是正交的推广。
d 1 , d 2 ,, d k 是 k 个 A 共轭的非零 定理 1. 设 A是 n阶对称正定矩阵，
是以 x 为中心的椭球面。
由于 f ( x ) A( x x ) 0 , 而
2 f ( x ) A,
因为A 正定，所以 2 f ( x ) A 0 ,
x
因此 x 是 f ( x ) 的极小点。
设 x ( 0 ) 是在某个等值面上的一点，d (1) 是 R n中的一个方向， x ( 0 )沿着 d (1) 以最优步长搜索得到点 x (1) 。 则 d (1)是点 x (1)所在等值面的切向量。