无约束问题最优化方法
无约束问题的最优化条件
f
(x)
f
(xk ) f
(xk )T
(x
xk )
1 (x 2
xk )T 2
f
(xk )(x
xk )
Q(k) (x)
f
(xk ) f
(xk )T (x xk )
1 2
(
x
xk
)T
2
f
(xk )(x xk )
令
Q(k) (x) x
0
f
( xk
)
2
f
(
xk
)(
x
xk
)
0
x xk (2 f (xk ))1f (xk ) xk Gk1gk
k 满足:
f (xk
dk ) 0
T f (xk k dk )gdk 0
ห้องสมุดไป่ตู้
d
T k 1
gd
k
0
14
a
5.3 牛顿法
自动化学院
15
a
一、牛顿迭代公式
牛顿法的基本思想是利用目标函数在当前迭代点 xk 处 的二次近似的极小点作为 f (x) 的近似极小点。
16
a
设 xk 是当前迭代点， 2 f (xk ) 正定，
5.1 无约束问题的 最优性条件
自动化学院
1
a
一、极小点的概念
1．局部极小点 2．严格局部极小点 3．全局（总体）极小点 4．严格全局（总体）极小点。 注：在非线性规划中，大多数算法都致力于求最优化 问题的局部极小点，一般求全局极小点极为困难，仅 当问题为凸规划时，局部极小为全局极小。
2
a
二、无约束问题最优性条件
的极小值,0.01,x(0)(0,0)T ,只迭代一次
第3章 无约束最优化方法 3-1 最速下降法 3-2 牛顿法
1
u f ( x)u m u
T 2
2
u R
n
则从任意的初始点 x 0 出发，阻尼牛顿法产 生的迭代点列 满足： （1）当 x k 为有穷点列时，其最后一个点 为 f ( x) 的唯一极小点。 （2）当 x k 为无穷点列时，收敛到 f ( x) 的
第3.2节 Newton法及其改进
第3.1节 最速下降法（Steepest Method）
对于最速下降法的几点说明 （1）第2.6节中介绍的关于下降算法的收敛 性定理对最速下降法都是成立的 。 （2）目标函数在负梯度方向下降得最快只 是局部性质。 （3）锯齿现象 （4）改进策略：在计算的开始阶段使用最 速下降法，在迭代数次后，改用其他算法。
本节的主要内容：
（1）牛顿法的基本思想
（2）阻尼牛顿法
（3）带保护措施的阻尼牛顿法
（4）吉尔-默里稳定牛顿法
（5）信赖域方法（一）
第3.2节 Newton法及其改进
（1）牛顿法的基本思想： * 在目标函数f ( x)的极小点 x 的近似点 x k 附近将 f ( x) 二阶Tayler展开，用展开的二次 函数去逼近 f ( x)，将这个二次函数的极小点 * x 作为 的一个新的近似点 x k 1 ，依次下去， 用一系列二次函数的极小点 xk 1 去逼近 f ( x) 的极小点 x * 。
第3.2节 Newton法及其改进
设 f ( x)二次连续可微，则 f ( x) 在 x k 处的二次 近似为： 1 T f ( x) qk ( x) f ( xk ) f ( xk ) ( x xk ) ( x xk )T 2 f ( xk )( x xk ) 2 令
第3章 无约束最优化方法 3-1 最速下降法 3-2 牛顿法
是局部性质。 n （3）锯齿现象 n （4）改进策略：在计算的开始阶段使用最
速下降法，在迭代数次后，改用其他算法。
第3.1节 最速下降法（Steepest Method）
n [引理3.2]（康德洛维奇Kntorovich不等式）
第3.2节 Newton法及其改进
n [推论3.8]设 且对任意的 在水平集
在开凸集D上二阶连续可微， ，存在常数 ，使得
上满足
则从任意的初始点 出发，牛顿法产生的迭
代点列 满足
，且收敛到
的唯一极小点。
第3.2节 Newton法及其改进
n 阻尼牛顿法的优点与缺点： 阻尼牛顿法克服了牛顿法要求初始点充分靠
n
，则d是下降方向；
n
，则 是下降方向。
第3.2.4节 吉尔-默里稳定牛顿法
n Gill-Murray稳定牛顿法的基本思想： n 当Hesse矩阵 在迭代点
处为不定矩阵时，对其进行强迫正 定的 分解；当 趋于零时， 采用负曲率方向使函数值下降。
第3.2.4节 吉尔-默里稳定牛顿法
n [算法3.15]（求负曲率方向的算法）
得到方向 ，令
。
n （6）精确线性搜索求 ，且令
n （7）若
，则进行步（8）；否则，
令
，转步（2）。
n （8）输出
，停止计算。
第3.2.4节 吉尔-默里稳定牛顿法
n [定理3.18]设 二阶连续可微，且存在
，使得
为有界闭
凸集。假定在吉尔-默里稳定牛顿法中取
，且初始点
，则吉尔-默里稳
定牛顿法产生的迭代序列 满足：
最优化方法第六讲 无约束(多维)最优化
step4. 若 || f ( xk1) || ,停止，x* xk1 ;
否则，令 k : k 1, 转step 2 。
14
➢算法框图
给定初始点x0和精度 || f ( x0 ) ||
停止，输出x1
否
是
| x1 x0 |
是 停止，输出x0
否 否
2 f (x0) 0
计算x1
x0
f ( x0 ) 2 f (x0)
1
13 62
x2
x1
1d 1
(
36 , 31
8 31
)T
7
三、最速下降法的特点
1.性质. 设 f ( x) 有一阶连续偏导数，若 步长 满足 k
f ( xk d k ) min f ( xk d k )
k
则有 f ( xk d k )T d k 0。 k
证明：令 ( ) f ( xk d k )，所以
5
一、梯度法（最速下降法）：
1. 搜索方向：d k f ( xk ) ,也称为最速下降方向；
2. 搜 索 步 长: k 取 最 优 步 长, 即 满 足
f (xk
kd k )
min
f
(xk
d k ) 。
二、梯度法算法步骤：
1. 给定初始点 x1 Rn ,允许误差 0, 令k 1。
2. 计算搜索方向 d k f ( xk ) ;
Step3. 令 xk 1 xk kd k , 其中tk : f ( xk kd k ) min f ( xk d k )。
24
Step 4. 判断 xk 1 是否满足终止准则： yes: 计算 stop, 则x* : xk1
No : 转 step 5 。
无约束问题的最优化条件
即，在算法每次迭代中，求解信赖域子问题：
1 T min (d ) f ( xk ) g k d d Gk d 2
(k ) T
s.t
d hk
在信赖域算法中，信赖域半径 hk 采用自适应方式调整， 若
(k )
(d ) 与 f ( xk d ) 近似程度好，则 hk 尽可能取大，
T (0)
2)方向
d
(0)
(G( x )) f ( x ) 1, 3 2
(0) 1 (0)
T
3)求最优步长
x
(0) dFra bibliotek(0)代入目标函数得：
(1)
1 0 3 3 0 2 2
(0)
三、最速下降算法收敛性定理
定理 5 设 f C1 (一阶连续可微), S x f ( x ) f ( x0 )
有界，则由最速下降法得到的迭代点列 xk 具有如下性质： 1） 数列 f ( xk ) 严格单调下降； 2） xk 的任何极限点（聚点） x 都是 f ( x ) 的驻点，
T k 1
d k 0
5.3 牛顿法
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一、牛顿迭代公式
牛顿法的基本思想是利用目标函数在当前迭代点 xk 处 的二次近似的极小点作为 f ( x ) 的近似极小点。
设 xk 是当前迭代点， 2 f ( xk ) 正定，
1 f ( x) f ( xk ) f ( xk ) ( x xk ) ( x xk )T 2 f ( xk )( x xk ) 2 1 (k ) T Q ( x) f ( xk ) f ( xk ) ( x xk ) ( x xk )T 2 f ( xk )( x xk ) 2
最优化方法解可新
最优化方法解可新最优化问题是数学建模中一个重要的问题类别，它的主要目标是在给定一些约束条件下找到一个使得目标函数取得最大或最小值的最优解。
最优化方法是解决这类问题的一种有效手段，通过对问题进行数学建模和算法求解，可以得到最优解或近似最优解。
最优化问题可以分为无约束优化和有约束优化两类。
在无约束优化问题中，目标函数的优化不受约束条件的限制；而在有约束优化问题中，目标函数的优化需要满足一定的约束条件。
下面将分别介绍无约束优化和有约束优化的最优化方法。
一、无约束优化的方法：1. 梯度下降法（Gradient Descent）：梯度下降法是最为常用的无约束优化方法之一。
它通过迭代的方式不断地沿着目标函数梯度的反方向更新参数，直至达到收敛条件。
梯度下降法的核心思想是利用函数的导数信息进行搜索，从而找到函数的最小值点。
2. 牛顿法（Newton Method）：牛顿法是一种基于函数局部二阶泰勒展开的优化方法。
它通过迭代的方式利用目标函数的一阶和二阶导数信息来求解最优解。
牛顿法在每次迭代时通过求解线性方程组来计算更新的步长，因此通常具有更快的收敛速度。
3. 拟牛顿法（Quasi-Newton Method）：拟牛顿法是对牛顿法的改进，它通过估计目标函数的二阶导数信息来近似求解最优解。
拟牛顿法不需要计算目标函数的二阶导数，而是通过迭代更新一个代表二阶导数信息的矩阵。
拟牛顿法比牛顿法更加稳定和易于实现，因此被广泛应用于实际问题中。
二、有约束优化的方法：1. 线性规划（Linear Programming）：线性规划是求解线性约束下的最优解的一种方法。
它的目标函数和约束条件均为线性函数，可以利用线性规划的特殊结构进行高效求解。
线性规划在工程、经济和管理等领域有广泛应用，如生产调度、资源分配等问题。
2. 非线性规划（Nonlinear Programming）：非线性规划是求解非线性约束下的最优解的方法。
它的目标函数和/或约束条件为非线性函数，常常需要使用数值优化方法进行求解。
无约束最优化问题的求解算法和应用
无约束最优化问题的求解算法和应用随着科技的发展和应用领域的扩大，无约束最优化问题已经越来越成为一种关注的研究领域。
在现实生活中，无约束最优化问题的求解可以应用在多个方面，比如金融、医学、机械工程等等。
然而，在实际应用中，我们往往需要利用已经发展的优秀算法进行求解。
本文将会介绍无约束最优化问题的求解算法及其应用。
一、无约束最优化问题的概念无约束最优化问题指的是在一定的条件下，通过调整某些变量来最大或最小化指定的目标函数。
这些变量的调整需遵守一定的限制条件，并且通过各种数值分析方法，比如数值解析和计算机数值算法等技术来求解这样的问题。
无约束最优化问题的数学形式一般为：$$ \min_{x \in \mathbb{R}^n} f(x) $$其中，$x \in \mathbb{R}^n$ 是 $n$ 维空间中的一个向量，$f(x)$ 则是目标函数，该函数需要满足一定的条件，比如连续、可微、凸等等。
当函数连续、可微的情况下，就能有效地应用求导法来求解这个问题。
二、基于梯度下降的算法在求解无约束最优化问题时，最常用的算法就是基于梯度下降的算法。
该算法通过沿着负梯度的方向一步步得逼近全局极小值。
算法的主要流程如下：1、初始化变量$x$，比如$x=0$;2、计算目标函数$ f(x)$ 的梯度 $\nabla f(x)$;3、计算下降方向 $p$，$p=-\nabla f(x)$;4、选择步长 $\alpha$，更新$x$ $x_{k+1} = x_{k} + \alpha p$;5、重复执行步骤2-4 进行更新，直到满足一定的终止条件为止。
这种方法的收敛性非常好，同时也比较容易实现。
在实际应用中，通常会将其与其他迭代方法组合使用，比如牛顿、拟牛顿等方法来提升其求解精度。
三、基于共轭梯度的算法基于梯度下降的算法虽然求解精度较好，但是当求解目标函数具有高度弱凸性质时，算法的收敛速度会相对较慢。
为了克服这类问题，研究人员往往会采用共轭梯度法。
第三章无约束问题的最优化方法
赋以0.618。
2 ,
；并计算其对应
的函数值。 3）根据区间消去法原理缩短搜索区间。为了能用原来的 坐标点计算公式，需进行区间名称的代换，并在保留区间 中计算一个新的试验点及其函数值。
如果
令 b , , f f 记N0=0； 2 2 1 2 1 如果 ，则新区间＝ ，
2
2
图2-5 黄金分割法
• 黄金分割法要求插入两点： a1 a (1 )(b a), f1 f (a1 )
a2 a (b a), f 2 f (a2 )
黄金分割法的搜索过程：
1）给出初始搜索区间及收敛精度 2）按坐标点计算公式计算 1
，将
在搜索区间内[a,b] 任取两点a1、b1，令f1＝f（a1）， f2＝f（b1） • (1)如f1<f2, 则缩小的新区间为[a,b1]; • (2)如f1>f2, 则缩小的新区间为[a1,b]; • (3)如f1=f2, 则缩小的新区间为[a1,b1]
f(b1) f(a1) f(a1) f(b1) f(a1) f(b1)
a
a1
b
a
a1
b1 b
a
a1
b1
b
§3.2 一维搜索方法
黄金分割法： • 黄金分割法适用于[a,b]区间上的任何单谷函数求极小值问题。对 函数除要求“单谷”外不作其他要求，甚至可以不连续。因此，这种 方法的适应面相当广。 • 黄金分割法也是建立在区间消去法原理基础上的试探方法。 • 在搜索区间内[a,b]适当插入两点，将区间分成三段；利用区间消 去法，使搜索区间缩小，通过迭代计算，使搜索区间无限缩小，从而 得到极小点的数值近似解。 •
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向可以使函数值下降，只
x2
有在锐角所包含的范围搜
索才可以达到函数值下降
的目的，故坐标轮换法对 此类函数会失效。
脊线
x1
第二轮迭代，需要
x0(2) x2 (1)
依次类推，不断迭代，目标函数值不断下降，最后逼 近该目标函数的最优点。
终止准则
可以采用点距准则
注意： 若采用点距准则或函数值准则，其中采用的点应该是一轮
迭代的始点和终点，而不是某搜索方向的前后迭代点。
8.1.2坐标轮换法的计算步骤
⑴任选初始点
作为第一轮的起点 ，置n个坐标轴方向矢量为单位 坐标矢量：
已知初 始点 x（1） (1, 2, 3)T ，当 x(n1) x(1) 0.01时停止
迭代．
小结
坐标轮换法程序简单，易于掌握。但是计算效率比 较低，尤其是当优化问题的维数较高时更为严重。一 般把此种方法应用于维数小于10的低维优化问题。
对于目标函数存在
“脊线”的情况，在脊线
的尖点处没有一个坐标方
对于n维优化问题，如果只利用函数值求最优值的解法，称 为直接搜索法；
解析法的收敛速率较高，直接法的可靠性较高。
8.1 坐标轮换法
坐标轮换法属于直接法，既可以用于无约束优化问 题的求解，又可以经过适当处理用于约束优化问题求 解。
坐标轮换法是每次搜索只允许一个变量变化，其余 变量保持不变，即沿坐标方向轮流进行搜索的寻优方 法。它把多变量的优化问题轮流地转化成单变量（其 余变量视为常量）的优化问题，因此又称这种方法为 变量轮换法。此种方法只需目标函数的数值信息而不 需要目标函数的导数。
第8章 无约束问题最优化方法
➢无约束优化理论研究开展得较早，构成的优化方法巳很多 ，也比较成熟，新的方法仍在陆续出现。本章的内容与目的 是讨论几个常用无约束优化方法的基本思想、方法构成、迭 代步骤以及终止准则等方面问题。
➢无约束优化方法总体分成两大类型:解析法或称间接法、 直接搜索法或简称直接法；
在n维无约束优化方法的算法中，用函数的一阶、二价导数进行求解的算法， 称为解析法;
一、坐标轮换法的迭代过程
如 图 ， 以 二 次 函 数 为 例 。
标长轴任1(的取1) ，方一得向初第e始1一作点轮一x(的维0)作第搜为一索第个，一迭用轮代一的点维始优点化x方0 (1法),先确沿定第最一优坐步 x1(1) =x0(1) + 1(1) e1，
搜然索后，以确定x1步(1)为长新2起(1) ，点得，第沿一第轮二的坐第标二轴个的迭方代向点e2作一维 x2(1) =x1(1) + 1(1) e2
入口
给定 x(0),ε
k←1 i←1
x(k) i
x(0)
沿ei方向一维搜索αi
xi(k) xi(k
-
i=n?
+
-
x(k) n
x(k) 0
?
+
x*x
F* F(x*)
k←k+1
x
(0)
x
(k) n
出口
8．1．3 计算举例
例 8-1 用变量轮换法求解 min f (x) 3x12 2x22 x32 ，
⑵按照下面迭代公式进行迭代计算
k为迭代轮数的序号，取k=1，2，……； i为该轮中一维搜索的序号，取i=1，2，……n 步长α一般通过一维优化方法求出其最优步长。 ⑶按下式判断是否中止迭代
最优解
如满足，迭代中止， 并输出最优解
否则，令k←k+1 返回步骤（2）
坐 标 轮 换 法 的 流 程 图
i←i+1