最优化算法实验5-模式搜索法
现代设计方法---优化设计
E=2×105MPa。现要求在满足使用要求的条件下，试设计一个用
料最省的方案。
优化目标
用料最省
V 1 d 2L
4
d
F M
L
强度条件
max
FL 0.1d 3
w
M
0.2d 3
条件 刚度条件
f
FL3 3EJ
64FL3
3Ed 4
f
边界条件 L Lmin 8c14m
例3 设某车间生产A和B两种产品，每种产品各有两道工序，分 别由两台机器完成这两道工序，其工时列于表中。若每台机器每 周至多工作40小时。产品A的单价为200元，产品B的单价为500 元。问每周A、B产品应各生产多少件，可使总产值为最高。 （这是生产规划的最优化问题）
F —弹簧在负荷P作用下所产生的变形量
n —弹簧的有效圈数
d —弹簧材料的直径
G —弹簧材料的切变模量
3
• 根据上式，如己知或先预定 D2、n、d、G 各参数，通过多次试算、
修改，就有可能得到压簧刚度等于或接近于 的设P计参数。
• 刚度公式也可以写成一般的多元函数表达式，即
• 式中 代表性y能指f 标(xi ) ， 是i 设 1计,2参,量,，N分别代 表 、y 、 、 ，所以P xi 。
0 x L
x b
图1－2
这一优化设计问题是具有两个设计变 量(即x和α)的非线性规划问题。
13
例2：有一圆形等截面的销轴，一端固定，一端作用着集中载荷
F=1000N和扭矩M=100N·m。由于结构需要，轴的长度L不得小于
8cm，已知销轴材料的许用弯曲应力[σW]=120MPa，许用扭转切 应力[τ]=80MPa，允许挠度[f]=0.01cm，密度ρ=7.8t/m3，弹性模量
最优化方法 直接法
一、模式搜索法 Hooke & Jeeves(1961)方法计算流程 设目标函数为f(x), xEn.坐标方向
e j (0,...,0,1,0,...,0) , j 1,..., n
T j
给定初始步长,加速因子.任取初始点x(1)作为第1个基点.
x(j) : 第j个基点. y(j) : 沿 ej 探测的出发点。
再从y(2)出发,沿d(2)作探测移动.得y(3) .按此方式探测 下去,直至沿d(n)探测,得到y(n+1) 进行下一轮探测.往复下去,至某一轮沿n个方向的 探测均失败,.第k次迭代的探测结束时,得到的点 记为 x(k+1)= y(n+1)
一、模式搜索法
构造新的搜索方向
设d1 ,..., d n是线性独立单位模向量，且这些向量是 彼此正交的，即diT d j (i j )正交,从当前向量x ( k )开始， 目标函数f 沿每个方向迭代地极小化，导出点x(k 1)， 特别，x(k 1) x(k ) i di , 其中 j 是沿方向d j 移动的距离。
q( j )
再单位化
j 2
d ( j)
q( j ) ( j) q
即可得到下次迭代对应的试探方向。
二、Powell 法 Powell方法 基本Powell方法 基本思想：Powell方法主要由基本搜索、加速搜索和调 整搜索方向三个部分组成。基本搜索包括从基点出发 沿着已知的n个搜索方向进行一维搜索，确定一个新基 点；加速搜索是沿着相邻的两个基点的连线方向进行 一维搜索，使函数下降更快；最后用基点连线方向代 替已知的n个搜索方向之一，构造新的搜索方向组并进 行下一步迭代。 也可以认为： Powell方法是把整个计算过程分成若干 个阶段,每一阶段(一轮迭代)由n+1次一维搜索组成的直 接方法。
最优化方法
最优化方法1. 简介最优化方法是一种通过调整变量值以最小化或最大化某个目标函数来优化系统性能的数学方法。
最优化方法广泛应用于各个领域，包括经济学、工程学、计算机科学等。
本文将介绍最优化方法的基本概念、常用算法以及其在实际问题中的应用。
2. 最优化问题最优化问题可以分为无约束最优化和约束最优化问题。
无约束最优化问题是在没有任何限制条件的情况下，寻找使目标函数值最小或最大的变量值。
约束最优化问题则在一定的约束条件下寻找最优解。
在最优化问题中，目标函数通常是一个多元函数，而变量则是目标函数的输入参数。
最优化的目标可以是最小化或最大化目标函数的值。
常见的优化问题包括线性规划、非线性规划、整数规划等。
3. 常用最优化算法3.1 梯度下降法梯度下降法是最常用的最优化算法之一。
它通过计算目标函数相对于变量的梯度（即偏导数），以负梯度方向更新变量值，逐步接近最优解。
梯度下降法的优点是简单易实现，但可能收敛速度较慢，且容易陷入局部最优解。
3.2 牛顿法牛顿法是一种基于目标函数的二阶导数（即海森矩阵）信息进行更新的最优化算法。
相较于梯度下降法，牛顿法的收敛速度更快，并且对于某些非凸优化问题更具优势。
然而，牛顿法的计算复杂度较高，且可能遇到数值不稳定的问题。
3.3 共轭梯度法共轭梯度法是一种用于解决线性方程组的最优化算法。
它利用共轭方向上的信息以减少最优化问题的迭代次数。
共轭梯度法适用于大规模线性方程组的求解，并且在非线性优化问题中也得到了广泛应用。
3.4 遗传算法遗传算法是一种通过模拟生物进化过程寻找最优解的优化算法。
它通过交叉、变异等操作生成新的解，并通过适应度评估筛选出优秀的解。
遗传算法适用于搜索空间较大、复杂度较高的优化问题。
4. 最优化方法的应用最优化方法在各个领域都有广泛的应用。
在经济学领域，最优化方法可以用于优化生产资源的配置、最小化成本或最大化利润等问题。
它可以帮助决策者制定最优的决策方案，提高效益。
最优化算法分析及应用
最优化算法分析及应用最优化算法是一类用于求解最优问题的数学模型和算法。
最优问题是指在一定约束条件下，寻求使得目标函数取得最大或者最小值的问题。
最优化算法包括解析法和数值法两种方法。
解析法是通过对目标函数进行数学分析，利用导数、求极限等数学工具，从而找到最优解的一类算法。
其中最常用的方法是求解目标函数的一阶或者二阶偏导数，通过解方程求得目标函数的稳定点或是极值点，从而得到最优解。
解析法的优点是可以得到精确的最优解，其中最著名的算法是拉格朗日乘数法、KKT条件和牛顿法等。
这些方法在多种领域有着广泛的应用，比如经济学中的效用函数最大化问题、工程学中的最优设计问题等。
数值法是通过迭代计算的方式逼近最优解的一类算法。
与解析法不同，数值法不需要对目标函数进行精确的数学分析，而是通过给定初始点，通过一定规则进行迭代计算，从而逐步逼近最优解。
数值法的优点是可以处理复杂的非线性问题，也可以应用于高维问题或者没有解析解的问题。
常用的数值法有梯度下降法、共轭梯度法、模拟退火算法等等。
这些方法在机器学习、数据挖掘、图像处理等领域都有广泛的应用，比如利用梯度下降法进行参数优化，利用模拟退火算法求解旅行商问题等。
最优化算法在现实生活中有很多应用。
在工程领域，最优化算法被广泛应用于优化设计问题，比如在汽车工业中，通过最优化算法可以实现车辆的轻量化设计，从而降低燃料消耗和排放。
在物流领域，最优化算法可以帮助货物合理分配，提高物流效率，降低物流成本。
在电力系统中，最优化算法可以用于电力调度问题，从而实时调整发电机组的出力，保证电网的供需平衡。
在经济学中，最优化算法可以用来解决资源配置和决策问题，比如最大化收益、最小化成本等。
此外，最优化算法还可以应用于交通流量优化、医疗资源优化、网络传输优化等各个领域。
通过合理选择和应用最优化算法，可以提高效率，降低成本，优化资源配置，从而实现经济可持续发展和社会效益最大化。
总而言之，最优化算法是一类用于求解最优问题的数学模型和算法。
模式搜索方法
Pattern Search Method
社科李达0903班 李旭彪
指导老师： 彭豪
直接搜索算法(简称为直接法)在迭代过程中要 利用函数值信息，适用于变量较少、目标函 数结构比较复杂或梯度不易计算的情形。常 见的直接法有坐标轮换法射、模式搜索算法、 Nelder-．Mead单纯形调优算法
• 模式搜索法是一种解决最优化问题的直 接方法，在计算时不需要目标函数的导 数，所以在解决不可导的函数或者求导 异常麻烦的函数的优化问题时非常有效。
寻找某个曲面的最低点，或者形 象的说，相当于从一座山岭的某 处出发，设法走到附近某一盆地 的最低点。
如果能找到一条山谷，沿山谷而行是最好的方法。
模式搜索法是对当前搜索点按固定 模式和步长探索移动(exploratory moves)，以寻求可行下降方向(非最 速下降方向)的直接搜索法．迭代过 程只要找到相对于当前点的改善点， 则步长递增，并从该点开始进入下一 次迭代；否则步长递减，在当前点继 续搜索．
Compass Search
探索移动+模式移动
模 式 搜 索 算 法Fra bibliotek模式搜索的发展
Hooke-Jeeves（霍克和乔维斯）在1961年提出了原始的模式 搜索算法，1997年由Torczon将其加以推 广，引入模式矩阵 的概念(包括基本矩阵和生成矩阵)，提出了GPS算法，并证明 了它关 于无约束最优化问题的收敛性。1999年，Lewis和 Torczon结合正基的性质将GPS算法推广到盒式约束的情形， 进而于2000年推广到有限个线性约束的情形，证明了由这种 算法产生的迭代收敛到问题的稳定点。这种推广主要是要求模 式矩阵必须包括可行域边界附近任意可行点处切锥的生成元。 2001年，Audet和Dcnnis结合过滤的步长接受标准分析研究 GPS算法关于求解广义的混合变量优化问题，并由Mark Aaron Abramson于2002年 将其推广到一般非线性混合变量 的优化问题，得到了一系列的收敛性证明。近年来，模 式搜 索算法与其他方法相结合，一定程度上克服了其在接近稳定点 时不成功的迭代增加 从而使搜索进程变慢的缺陷。例如，在 模式搜索中引入单纯形导数，根据它的信息对搜 索方向进行 编号；利用拟牛顿法中近似计算的Hessian阵作为模式搜索算 法中的一组方向集，以及蚁群算法在模式搜索中的应用等。
五种最优化方法
精心整理五种最优化方法1.最优化方法概述1.1最优化问题的分类1）无约束和有约束条件；2）确定性和随机性最优问题（变量是否确定）；341.22.2.11232.23.3.11233.24.模式搜索法(步长加速法)4.1简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）不需要求目标函数的导数，所以在解决不可导的函数或者求导异常麻烦的函数的优化问题时非常有效。
3）模式搜索法每一次迭代都是交替进行轴向移动和模式移动。
轴向移动的目的是探测有利的下降方向，而模式移动的目的则是沿着有利方向加速移动。
4.2模式搜索法步骤5.评价函数法5.1简介评价函数法是求解多目标优化问题中的一种主要方法。
在许多实际问题中，衡量一个方案的好坏标准往往不止一个，多目标最优化的数学描述如下：min(f_1(x),f_2(x),...,f_k(x))s.t.g(x)<=0传统的多目标优化方法本质是将多目标优化中的各分目标函数，经处理或数学变换，转变成一个单目标函数，然后采用单目标优化技术求解。
常用的方法有“线性加权和法”、“极大极小法”、“理想点法”。
选取其中一种线性加权求合法介绍。
5.2线性加权求合法6.遗传算法智能优化方法是通过计算机学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，进而达到优化的一种方法，主要有人工神经网络法，遗传算法和模拟退火法等。
6.1遗传算法基本概念1.个体与种群个体就是模拟生物个体而对问题中的对象（一般就是问题的解）的一种称呼。
种群就是模拟生物种群而由若干个体组成的群体,它一般是整个搜索空间的一个很小的子集。
2.适应度与适应度函数适应度就是借鉴生物个体对环境的适应程度,而对问题中的个体对象所设计的表征其优劣的一种测度。
适应度函数就是问题中的全体个体与其适应度之间的一个对应关系。
该函数就是遗传算法中指导搜索的评价函数。
6.2遗传算法基本流程遗传算法的中心思想就是对一定数量个体组成的生物种群进行选择、交叉、变异等遗传操作,最终求得最优解或近似最优解。
数值最优化方法
数值最优化方法数值最优化是指让数学模型的解达到最理想值或最优值的算法。
它主要用于在给定某种限制条件下求出最佳解，在现代数学和工程应用中被广泛使用，从而使解决问题者能够获得理想的解。
数值最优化方法可分为三类:随机搜索方法、梯度搜索方法及类模式搜索方法。
一、随机搜索方法随机搜索方法是一类基于随机过程的搜索算法，它的基本思路是用随机的方式搜索一定数量的可能的解，从而找出满足最佳化要求的最优解。
随机搜索方法不需要借助任何假定，它们可以用来解决各种类型的最优化问题，可以在没有充分知识的情况下构造模型。
随机搜索方法主要有模拟退火算法、JS散乱算法、粒子群算法（PSO）、贝叶斯优化算法、遗传算法、定时算法等。
模拟退火算法是一类基于热力学的随机搜索方法，它的基本思想是模拟热力学中的凝固过程，模拟加热和冷却的过程，最终可以将系统放入最终的冷却态，即最优化解。
该算法的基础原理非常简单，可以应用于各种复杂的问题，但是收敛较慢，耗时较长，算法的收敛强度难以控制。
JS散乱算法是一类以满足斯坦福大学计算机科学系终身教授John H. Conway及其相近的两个博士生Richard K. Guy和Brennen McHenry于1965年提出的算法。
该算法是一类基于局部搜索策略的随机搜索算法，算法的核心思想是组合局部搜索算法和比较算法，即在最优解附近搜索一个满足最优解的解，让其达到最优解，它的优点是时间复杂度低且可以收敛到局部最小点，但是劣势是实际收敛非常缓慢，而且难以控制局部最优解。
粒子群算法是一类基于社会行为学的随机搜索算法，该算法由Kennedy和Eberhart于1995年提出，其基本思想是模拟鸟群觅食行为，即让粒子的搜索行为类似于一群鸟群搜索食物的行为，从而找到最优解。
粒子群算法的优点是可以找到最优解，计算量较少，并且可以用来解决非凸问题，但缺点是可能在某局部范围内收敛，而且难以控制全局搜索空间大小。
贝叶斯优化算法是一类基于贝叶斯学派优化研究的算法，该算法旨在利用 Bayes式通过将优化目标模型转化为条件概率分布，并采用适当的抽样策略搜索最优解。
五种最优化方法
五种最优化方法 Prepared on 22 November 2020五种最优化方法1. 最优化方法概述最优化问题的分类1）无约束和有约束条件；2）确定性和随机性最优问题（变量是否确定）；3）线性优化与非线性优化（目标函数和约束条件是否线性）；4）静态规划和动态规划（解是否随时间变化）。
最优化问题的一般形式（有约束条件）：式中f(X)称为目标函数(或求它的极小，或求它的极大)，si(X)称为不等式约束，hj(X)称为等式约束。
化过程就是优选X，使目标函数达到最优值。
2.牛顿法简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）是求解函数极值的一种方法；3）是一种函数逼近法。
原理和步骤3. 最速下降法（梯度法）最速下降法简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）是求解函数极值的一种方法；3）沿函数在该点处目标函数下降最快的方向作为搜索方向；最速下降法算法原理和步骤4. 模式搜索法(步长加速法)简介1）解决的是无约束非线性规划问题；2）不需要求目标函数的导数，所以在解决不可导的函数或者求导异常麻烦的函数的优化问题时非常有效。
3）模式搜索法每一次迭代都是交替进行轴向移动和模式移动。
轴向移动的目的是探测有利的下降方向，而模式移动的目的则是沿着有利方向加速移动。
模式搜索法步骤5.评价函数法简介评价函数法是求解多目标优化问题中的一种主要方法。
在许多实际问题中，衡量一个方案的好坏标准往往不止一个，多目标最优化的数学描述如下：min (f_1(x),f_2(x),...,f_k(x)). g(x)<=0传统的多目标优化方法本质是将多目标优化中的各分目标函数，经处理或数学变换，转变成一个单目标函数，然后采用单目标优化技术求解。
常用的方法有“线性加权和法”、“极大极小法”、“理想点法”。
选取其中一种线性加权求合法介绍。
线性加权求合法6. 遗传算法智能优化方法是通过计算机学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系，进而达到优化的一种方法，主要有人工神经网络法，遗传算法和模拟退火法等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
模式搜索法的 MATLAB 实现
实验目的：
1. 掌握直接法求解最优化问题的基本思想 2. 通过实验掌握模式搜索法的 Matlab 算法的基本步骤
实验要求：
1.学习 MATLAB 编写模式搜索法的程序设计方法。 2.对问题进行编程和解决问题。 3. 按照格式规范，撰写实验报告
实验内容：
1. 算法步骤： Step1 取初始点������1 , 初始步长 a,置精度要求ε.令������1 =������1 ，k=1. Step2��������� +a ������������ )<f( ������������ ), 则令 ������������ +1 = ������������ +a������������ ;否则若 f(������������ -a������������ )<f(������������ ),则令������������ +1 = ������������ -a������������ ; 否则������������ +1 = ������������ . Step3 若 f(������������ +1 )<f(������������ ), 则令 ������������ +1 = ������������ +1 ， ������1=������������ +1 + (������������ +1 − ������������ ) ; 置 k=k+1，转 step2. Step4 若������1 ≠ ������������ ，则置������1 = ������������ ，转 step2. Step5 若 a<ε, 则停止计算. 否则置 a=a/2, 转 step2. 2. 按照上述算法编写模式搜索算法 M 文件，并求解最优化问题 Min f(x)=(������1 -1)^2+5(������1 ^2-������2 )^2 , 取初始点������1 = (2,0),步长 a=1/2.