Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Градиентные методы

Градиентные методы безусловной оптимизации используют только первые производные целевой функции и являются методами линейной аппроксимации на каждом шаге, т.е. целевая функция на каждом шаге заменяется касательной гиперплоскостью к ее графику в текущей точке.

На k-м этапе градиентных методов переход из точки Xk в точку Xk+1 описывается соотношением:

где k - величина шага, k - вектор в направлении Xk+1-Xk.

Методы наискорейшего спуска

Впервые такой метод рассмотрел и применил еще О. Коши в XVIII в. Идея его проста: градиент целевой функции f(X) в любой точке есть вектор в направлении наибольшего возрастания значения функции. Следовательно, антиградиент будет направлен в сторону наибольшего убывания функции и является направлением наискорейшего спуска. Антиградиент (и градиент) ортогонален поверхности уровня f(X) в точке X. Если в (1.2) ввести направление

то это будет направление наискорейшего спуска в точке Xk.

Получаем формулу перехода из Xk в Xk+1:

Антиградиент дает только направление спуска, но не величину шага. В общем случае один шаг не дает точку минимума, поэтому процедура спуска должна применяться несколько раз. В точке минимума все компоненты градиента равны нулю.

Все градиентные методы используют изложенную идею и отличаются друг от друга техническими деталями: вычисление производных по аналитической формуле или конечно-разностной аппроксимации; величина шага может быть постоянной, меняться по каким-либо правилам или выбираться после применения методов одномерной оптимизации в направлении антиградиента и т.д. и т.п.

Останавливаться подробно мы не будем, т.к. метод наискорейшего спуска не рекомендуется обычно в качестве серьезной оптимизационной процедуры.

Одним из недостатков этого метода является то, что он сходится к любой стационарной точке, в том числе и седловой, которая не может быть решением.

Но самое главное - очень медленная сходимость наискорейшего спуска в общем случае. Дело в том, что спуск является "наискорейшим" в локальном смысле. Если гиперпространство поиска сильно вытянуто ("овраг"), то антиградиент направлен почти ортогонально дну "оврага", т.е. наилучшему направлению достижения минимума. В этом смысле прямой перевод английского термина "steepest descent", т.е. спуск по наиболее крутому склону более соответствует положению дел, чем термин "наискорейший", принятый в русскоязычной специальной литературе. Одним из выходов в этой ситуации является использование информации даваемой вторыми частными производными. Другой выход - изменение масштабов переменных.

линейный аппроксимация производная градиент

Метод сопряженного градиента Флетчера-Ривса

В методе сопряженного градиента строится последовательность направлений поиска, являющихся линейными комбинациями, текущего направления наискорейшего спуска, и, предыдущих направлений поиска, т.е.

причем коэффициенты выбираются так, чтобы сделать направления поиска сопряженными. Доказано, что

и это очень ценный результат, позволяющий строить быстрый и эффективный алгоритм оптимизации.

Алгоритм Флетчера-Ривса

1. В X0 вычисляется.

2. На k-ом шаге с помощь одномерного поиска в направлении находится минимум f(X), который и определяет точку Xk+1.

• 3. Вычисляются f(Xk+1) и.
• 4. Направление определяется из соотношения:

• 5. После (n+1)-й итерации (т.е. при k=n) производится рестарт: полагается X0=Xn+1 и осуществляется переход к шагу 1.
• 6. Алгоритм останавливается, когда

где - произвольная константа.

Преимуществом алгоритма Флетчера-Ривса является то, что он не требует обращения матрицы и экономит память ЭВМ, так как ему не нужны матрицы, используемые в Ньютоновских методах, но в то же время почти столь же эффективен как квази-Ньютоновские алгоритмы. Т.к. направления поиска взаимно сопряжены, то квадратичная функция будет минимизирована не более, чем за n шагов. В общем случае используется рестарт, который позволяет получать результат.

Алгоритм Флетчера-Ривса чувствителен к точности одномерного поиска, поэтому при его использовании необходимо устранять любые ошибки округления, которые могут возникнуть. Кроме того, алгоритм может отказать в ситуациях, где Гессиан становится плохо обусловленным. Гарантии сходимости всегда и везде у алгоритма нет, хотя практика показывает, что почти всегда алгоритм дает результат.

Ньютоновские методы

Направление поиска, соответствующее наискорейшему спуску, связано с линейной аппроксимацией целевой функции. Методы, использующие вторые производные, возникли из квадратичной аппроксимации целевой функции, т. е. при разложении функции в ряд Тейлора отбрасываются члены третьего и более высоких порядков.

где - матрица Гессе.

Минимум правой части (если он существует) достигается там же, где и минимум квадратичной формы. Запишем формулу для определения направления поиска:

Минимум достигается при

Алгоритм оптимизации, в котором направление поиска определяется из этого соотношения, называется методом Ньютона, а направление - ньютоновским направлением.

В задачах поиска минимума произвольной квадратичной функции с положительной матрицей вторых производных метод Ньютона дает решение за одну итерацию независимо от выбора начальной точки.

Классификация Ньютоновских методов

Собственно метод Ньютона состоит в однократном применении Ньютоновского направления для оптимизации квадратичной функции. Если же функция не является квадратичной, то верна следующая теорема.

Теорема 1.4. Если матрица Гессе нелинейной функции f общего вида в точке минимума X* положительно определена, начальная точка выбрана достаточно близко к X* и длины шагов подобраны верно, то метод Ньютона сходится к X* с квадратичной скоростью.

Метод Ньютона считается эталонным, с ним сравнивают все разрабатываемые оптимизационные процедуры. Однако метод Ньютона работоспособен только при положительно определенной и хорошо обусловленной матрицей Гессе (определитель ее должен быть существенно больше нуля, точнее отношение наибольшего и наименьшего собственных чисел должно быть близко к единице). Для устранения этого недостатка используют модифицированные методы Ньютона, использующие ньютоновские направления по мере возможности и уклоняющиеся от них только тогда, когда это необходимо.

Общий принцип модификаций метода Ньютона состоит в следующем: на каждой итерации сначала строится некоторая "связанная" с положительно определенная матрица, а затем вычисляется по формуле

Так как положительно определена, то - обязательно будет направлением спуска. Процедуру построения организуют так, чтобы она совпадала с матрицей Гессе, если она является положительно определенной. Эти процедуры строятся на основе некоторых матричных разложений.

Другая группа методов, практически не уступающих по быстродействию методу Ньютона, основана на аппроксимации матрицы Гессе с помощью конечных разностей, т.к. не обязательно для оптимизации использовать точные значения производных. Эти методы полезны, когда аналитическое вычисление производных затруднительно или просто невозможно. Такие методы называются дискретными методами Ньютона.

Залогом эффективности методов ньютоновского типа является учет информации о кривизне минимизируемой функции, содержащейся в матрице Гессе и позволяющей строить локально точные квадратичные модели целевой функции. Но ведь возможно информацию о кривизне функции собирать и накапливать на основе наблюдения за изменением градиента во время итераций спуска.

Соответствующие методы, опирающиеся на возможность аппроксимации кривизны нелинейной функции без явного формирования ее матрицы Гессе, называют квази-Ньютоновскими методами.

Отметим, что при построении оптимизационной процедуры ньютоновского типа (в том числе и квази-Ньютоновской) необходимо учитывать возможность появления седловой точки. В этом случае вектор наилучшего направления поиска будет все время направлен к седловой точке, вместо того, чтобы уходить от нее в направлении "вниз".

Метод Ньютона-Рафсона

Данный метод состоит в многократном использовании Ньютоновского направления при оптимизации функций, не являющихся квадратичными.

Основная итерационная формула многомерной оптимизации

используется в этом методе при выборе направления оптимизации из соотношения

Реальная длина шага скрыта в ненормализованном Ньютоновском направлении.

Так как этот метод не требует значения целевой функции в текущей точке, то его иногда называют непрямым или аналитическим методом оптимизации. Его способность определять минимум квадратичной функции за одно вычисление выглядит на первый взгляд исключительно привлекательно. Однако это "одно вычисление" требует значительных затрат. Прежде всего, необходимо вычислить n частных производных первого порядка и n(n+1)/2 - второго. Кроме того, матрица Гессе должна быть инвертирована. Это требует уже порядка n3 вычислительных операций. С теми же самыми затратами методы сопряженных направлений или методы сопряженного градиента могут сделать порядка n шагов, т.е. достичь практически того же результата. Таким образом, итерация метода Ньютона-Рафсона не дает преимуществ в случае квадратичной функции.

Если же функция не квадратична, то

• - начальное направление уже, вообще говоря, не указывает действительную точку минимума, а значит, итерации должны повторяться неоднократно;
• - шаг единичной длины может привести в точку с худшим значением целевой функции, а поиск может выдать неправильное направление, если, например, гессиан не является положительно определенным;
• - гессиан может стать плохо обусловленным, что сделает невозможным его инвертирование, т.е. определение направления для следующей итерации.

Сама по себе стратегия не различает, к какой именно стационарной точке (минимума, максимума, седловой) приближается поиск, а вычисления значений целевой функции, по которым можно было бы отследить, не возрастает ли функция, не делаются. Значит, все зависит от того, в зоне притяжения какой стационарной точки оказывается стартовая точка поиска. Стратегия Ньютона-Рафсона редко используется сама по себе без модификации того или иного рода.

Методы Пирсона

Пирсон предложил несколько методов с аппроксимацией обратного гессиана без явного вычисления вторых производных, т.е. путем наблюдений за изменениями направления антиградиента. При этом получаются сопряженные направления. Эти алгоритмы отличаются только деталями. Приведем те из них, которые получили наиболее широкое распространение в прикладных областях.

Алгоритм Пирсона № 2.

В этом алгоритме обратный гессиан аппроксимируется матрицей Hk, вычисляемой на каждом шаге по формуле

В качестве начальной матрицы H0 выбирается произвольная положительно определенная симметрическая матрица.

Данный алгоритм Пирсона часто приводит к ситуациям, когда матрица Hk становится плохо обусловленной, а именно - она начинает осцилировать, колеблясь между положительно определенной и не положительно определенной, при этом определитель матрицы близок к нулю. Для избежания этой ситуации необходимо через каждые n шагов перезадавать матрицу, приравнивая ее к H0.

Алгоритм Пирсона № 3.

В этом алгоритме матрица Hk+1 определяется из формулы

Hk+1 = Hk +

Траектория спуска, порождаемая алгоритмом, аналогична поведению алгоритма Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, но шаги немного короче. Пирсон также предложил разновидность этого алгоритма с циклическим перезаданием матрицы.

Проективный алгоритм Ньютона-Рафсона

Пирсон предложил идею алгоритма, в котором матрица рассчитывается из соотношения

H0=R0, где матрица R0 такая же как и начальные матрицы в предыдущих алгоритмах.

Когда k кратно числу независимых переменных n, матрица Hk заменяется на матрицу Rk+1, вычисляемую как сумма

Величина Hk(f(Xk+1) - f(Xk)) является проекцией вектора приращения градиента (f(Xk+1)-f(Xk)), ортогональной ко всем векторам приращения градиента на предыдущих шагах. После каждых n шагов Rk является аппроксимацией обратного гессиана H-1(Xk), так что в сущности осуществляется (приближенно) поиск Ньютона.

Метод Дэвидона-Флетчера-Пауэла

Этот метод имеет и другие названия - метод переменной метрики, квазиньютоновский метод, т.к. он использует оба эти подхода.

Метод Дэвидона-Флетчера-Пауэла (ДФП) основан на использовании ньютоновских направлений, но не требует вычисления обратного гессиана на каждом шаге.

Направление поиска на шаге k является направлением

где Hi - положительно определенная симметричная матрица, которая обновляется на каждом шаге и в пределе становится равной обратному гессиану. В качестве начальной матрицы H обычно выбирают единичную. Итерационная процедура ДФП может быть представлена следующим образом:

• 1. На шаге k имеются точка Xk и положительно определенная матрица Hk.
• 2. В качестве нового направления поиска выбирается

3. Одномерным поиском (обычно кубической интерполяцией) вдоль направления определяется k, минимизирующее функцию.

4. Полагается.

5. Полагается.

6. Определяется и. Если Vk или достаточно малы, процедура завершается.

• 7. Полагается Uk = f(Xk+1) - f(Xk).
• 8. Матрица Hk обновляется по формуле

9. Увеличить k на единицу и вернуться на шаг 2.

Метод эффективен на практике, если ошибка вычислений градиента невелика и матрица Hk не становится плохо обусловленной.

Матрица Ak обеспечивает сходимость Hk к G-1, матрица Bk обеспечивает положительную определенность Hk+1 на всех этапах и в пределе исключает H0.

В случае квадратичной функции

т.е. алгоритм ДФП использует сопряженные направления.

Таким образом, метод ДФП использует как идеи ньютоновского подхода, так и свойства сопряженных направлений, и при минимизации квадратичной функции сходится не более чем за n итераций. Если оптимизируемая функция имеет вид, близкий к квадратичной функции, то метод ДФП эффективен за счет хорошей аппроксимации G-1(метод Ньютона). Если же целевая функция имеет общий вид, то метод ДФП эффективен за счет использования сопряженных направлений.

Как мы уже отметили, задача оптимизации – это задача отыскания таких значений факторов х 1 = х 1* , х 2 = х 2* , …, х k = х k * , при которых функция отклика (у ) достигает экстремального значения у = ext (оптимума).

Известны различные методы решения задачи оптимизации. Одним из наиболее широко применяемых является метод градиента, называемый также методом Бокса-Уилсона и методом крутого восхождения.

Рассмотрим сущность метода градиента на примере двухфакторной функции отклика y = f(x 1 , х 2 ). На рис. 4.3 в фак­торном пространстве изо­бражены кривые равных значений функции отклика (кривые уровня). Точке с координатами х 1 *, х 2 * соответствует экстремаль­ное значение функции от­клика у ext .

Если мы выбе­рем какую-либо точку фак­торного пространства в ка­честве исходной (х 1 0 , х 2 0), то наикратчайший путь к вершине функции откли­ка из этой точки – это путь, по кривой, касательная к которой в каждой точке совпадает с нормалью к кривой уровня, т.е. это путь в направлении гради­ента функции отклика.

Градиент непрерывной однозначной функции y = f (x 1 , х 2) – это вектор, определяемый по направлению градиентом с координатами:

где i, j – единичные векторы в направлении осей координат х 1 и х 2 . Частные производные и характеризуют направление вектора.

Поскольку нам неизвестен вид зависимости y = f (x 1 , х 2), мы не можем найти частные производные , и опреде­лить истинное направление градиента.

Согласно методу градиента в какой-то части факторного пространства выбирается исходная точка (исходные уровни) х 1 0 , х 2 0 . Относительно этих исходных уровней строится сим­метричный двухуровневый план эксперимента. Причем интер­вал варьирования выбирается настолько малым, чтобы ли­нейная модель оказалась адекватной. Известно, что любая кривая на достаточно малом участке может быть аппрокси­мирована линейной моделью.

После построения симметричного двухуровневого плана решается интерполяционная задача, т.е. строится линейная модель:

и проверяется ее адекватность.

Если для выбранного интервала варьирования линейная мо­дель оказалась адекватной, то может быть определено на­правление градиента:

Таким образом, направление градиента функции отклика определяется значениями коэффициентов регрессии. Это означает, что мы будем двигаться в направлении градиента, если из точки с координатами ( ) перейдем в точку с координатами:

где m – положительное число, определяющее величину шага в на­правлении градиента.

Поскольку х 1 0 = 0 и х 2 0 = 0, то .

Определив направление градиента () и выбрав ве­личину шага m , осуществляем опыт на исходном уровне х 1 0 , х 2 0 .

Затем делаем шаг в направлении градиента, т.е. осу­ществляем опыт в точке с координатами . Если значе­ние функции отклика возросло по сравнению с ее значением в исходном уровне, делаем еще шаг в направлении градиен­та, т.е. осуществляем опыт в точке с координатами:

Движение по градиенту продолжаем до тех пор, пока функция отклика не начнет уменьшаться. На рис. 4.3 движение по градиенту соответствует прямой, вы­ходящей из точки (х 1 0 , х 2 0). Она постепенно отклоняется от истинного направления градиента, показанного штриховой линией, вследствие нелинейности функции отклика.

Как только в очередном опыте значение функции отклика уменьшилось, движение по градиенту прекращают, прини­мают опыт с максимальным значением функции отклика за новый исходный уровень, составляют новый симметричный двухуровневый план и снова решают интерполяционную за­дачу.

Построив новую линейную модель , осуществляют регрессионный анализ. Если при этом провер­ка значимости факторов показывает, что хоть один коэф

фи­циент , значит, область экстремума функции откли­ка (область оптимума) еще не достигнута. Определяется новое направление градиента и начинается движение к обла­сти оптимума.

Уточнение направления градиента и движение по гради­енту продолжаются до тех пор, пока в процессе решения очередной интерполяционной задачи проверка значимости факторов не покажет, что все факторы незначимы, т.е. все . Это означает, что область оптимума достигнута. На этом решение оптимизационной задачи прекращают, и принимают опыт с максимальным значением функции отклика за оптимум.

В общем виде последовательность действий, необходимых для решения задачи оптимизации методом градиента, может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 4.4).

1) исходные уровни факторов (х j 0) следует выбирать воз­можно ближе к точке оптимума, если есть какая-то априор­ная информация о ее положении;

2) интервалы варьирования (Δх j ) надо выбирать такими, чтобы линейная модель наверняка оказалась адекватной. Границей снизу Δх j при этом является минимальное значе­ние интервала варьирования, при котором функция отклика остается значимой;

3) значение шага (т ) при движении по градиенту выбирают таким образом, чтобы наибольшее из произведений не превышало разности верхнего и нижнего уровней факто­ров в нормированном виде

.

Следовательно, . При меньшем значении т разность функции отклика в исходном уровне и в точке с координа­тами может оказаться незначимой. При большем значении шага возникает опасность проскочить оптимум функ­ции отклика.