Градиентные методы безусловной оптимизации. Градиентные методы оптимизации

Лекция № 8

Градиентные методы решения задач нелинейного программирования. Методы штрафных функций. Приложения нелинейного программирования к задачам исследования операций.

Задачи без ограничений. Градиентным методом можно решать, вообще говоря, любую нелинейную задачу. Однако при этом находится лишь локальный экстремум. Поэтому целесообразнее применять этот метод при решении задач выпуклого программирования, в которых любой локальный экстремум, является одновременно и глобальным (см. теорему 7.6).

Будем рассматривать задачу максимизации нелинейной дифференцируемой функции f (x ). Суть градиентного поиска точки максимума х * весьма проста: надо взять произвольную точку х 0 и с помощью градиента , вычисленного в этой точке, определить направление, в котором f (х ) возрастает с наибольшей скоростью (рис. 7.4),

а затем, сделав небольшой шаг в найденном направлении, перейти в новую точку x i . Потом снова определить наилучшее направление для перехода в очередную точку х 2 и т. д. На рис. 7.4 поисковая траектория представляет собой ломаную х 0 , x 1 , х 2 ... Таким образом, надо построить последовательность точек х 0 , x 1 , х 2 ,...,x k , ... так, чтобы она сходилась к точке максимума х *, т. е. для точек последовательности выполнялись условия

Градиентные методы, как правило, позволяют получать точное решение за бесконечное число шагов и только в некоторых случаях - за конечное. В связи с этим градиентные методы относят к приближенным методам решения.

Движение из точки х k в новую точку x k+1 осуществляется по прямой, проходящей через точку х k и имеющей уравнение

(7.29)

где λ k - числовой параметр, от которого зависит величина шага. Как только значение параметра в уравнении (7.29) выбрано: λ k =λ k 0 , так становится определенной очередная точка на поисковой ломаной.

Градиентные методы отличаются друг от друга способом выбора величины шага - значения λ k 0 параметра λ k . Можно, например, двигаться из точки в точку с постоянным шагом λ k = λ, т. е. при любом k

Если при этом окажется, что , то следует возвратиться в точку и уменьшить значение параметра, например до λ /2.

Иногда величина шага берется пропорциональной модулю градиента.

Если ищется приближенное решение, то поиск можно прекратить, основываясь на следующих соображениях. После каждой серии из определенного числа шагов сравнивают достигнутые значения целевой функции f (x ). Если после очередной серии изменение f (x ) не превышает некоторого наперед заданного малого числа , поиск прекращают и достигнутое значение f (x ) рассматривают как искомый приближенный максимум, а соответствующее ему х принимают за х *.

Если целевая функция f (x ) вогнутая (выпуклая), то необходимым и достаточным условием оптимальности точки х * является равенство нулю градиента функции в этой точке.

Распространенным является вариант градиентного поиска, называемый методом наискорейшего подъема. Суть его в следующем. После определения градиента в точке х к движение вдоль прямой производится до точки х к+ 1 , в которой достигается максимальное значение функции f (х ) в направлении градиента . Затем в этой точке вновь определяется градиент, и движение совершается по прямой в направлении нового градиента до точки х к+ 2 , в которой достигается максимальное в этом направлении значение f (x ). Движение продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка х *, соответствующая наибольшему значению целевой функции f (x ). На рис. 7.5 приведена схема движения к оптимальной точке х * методом наискорейшего подъема. В данном случае направление градиента в точке х k является касательным к линии уровня поверхности f (х ) в точке х к+ 1 , следовательно, градиент в точкех к+ 1 ортогонален градиенту (сравните с рис. 7.4).

Перемещение из точки х k в точку сопровождается возрастанием функции f (x ) на величину

Из выражения (7.30) видно, что приращение является функцией переменной , т. е. . При нахождении максимума функции f (x) в направлении градиента ) необходимо выбирать шаг перемещения (множитель ), обеспечивающий наибольшее возрастание приращению функции, именно функции . Величина , при которой достигается наибольшее значение , может быть определена из необходимого условия экстремума функции :

(7.31)

Найдем выражение для производной, дифференцируя равенство (7.30) по как сложную функцию:

Подставляя этот результат в равенство (7.31), получаем

Это равенство имеет простое геометрическое истолкование: градиент в очередной точке х к+ 1 , ортогонален градиенту в предыдущей точке х к .

построены линии уровня этой поверхности. С этой целью уравнение приведено к виду (x 1 -1) 2 +(x 2 -2) 2 =5-0,5f , из которого ясно, что линиями пересечения параболоида с плоскостями, параллельными плоскости x 1 Оx 2 (линиями уровня), являются окружности радиусом . При f =-150, -100, -50 их радиусы равны соответственно , а общий центр находится в точке (1; 2). Находим градиент данной функции:

I шаг . Вычисляем:

На рис. 7.6 с началом в точке х 0 =(5; 10) построен вектор 1/16, указывающий направление наискорейшего возрастания функции в точке х 0 . На этом направлении расположена следующая точка . В этой точке .

Используя условие (7.32), получаем

или 1-4=0, откуда =1/4. Так как , то найденное значение является точкой максимума . Находим x 1 =(5-16/4; 10-32/4)=(1; 2).

II шаг . Начальная точка для второго шага x 1 =(1; 2). Вычисляем =(-4∙1 +4; -4∙2+8)=(0; 0). Следовательно, х 1 =(1; 2) является стационарной точкой. Но поскольку данная функция вогнутая, то в найденной точке (1; 2) достигается глобальный максимум.

Задача с линейными ограничениями. Сразу же отметим, что если целевая функция f (х ) в задаче с ограничениями имеет единственный экстремум и он находится внутри допустимой области, то для поиска экстремальной точки х * применяется изложенная выше методика без каких-либо изменений.

Рассмотрим задачу выпуклого программирования с линейными ограничениями:

(7.34)

Предполагается, что f (х ) является вогнутой функцией и имеет непрерывные частные производные в каждой точке допустимой области.

Начнем с геометрической иллюстрации процесса решения задачи (рис. 7.7). Пусть начальная точка х 0 расположена внутри допустимой области. Из точки х 0 можно двигаться в направлении градиента , пока f (x ) не достигнет максимума. В нашем случае f (x ) все время возрастает, поэтому остановиться надо в точке х , на граничной прямой. Как видно из рисунка, дальше двигаться в направлении градиента нельзя, так как выйдем из допустимой области. Поэтому надо найти другое направление перемещения, которое, с одной стороны, не выводит из допустимой области, а с другой - обеспечивает наибольшее возрастание f (x ). Такое направление определит вектор , составляющий с вектором наименьший острый угол по сравнению с любым другим вектором, выходящим из точки x i и лежащим в допустимой области. Аналитически такой вектор найдется из условия максимизации скалярного произведения . В данном случае вектор указывающий наивыгоднейшее направление, совпадает с граничной прямой.

Таким образом, на следующем шаге двигаться надо по граничной прямой до тех пор, пока возрастает f (x ); в нашем случае - до точки х 2 . Из рисунка видно, что далее следует перемещаться в направлении вектора , который находится из условия максимизации скалярного произведения , т. е. по граничной прямой. Движение заканчивается в точке х 3 , поскольку в этой точке завершается оптимизационный поиск, ибо в ней функция f (х ) имеет локальный максимум. Ввиду вогнутости в этой точке f (х ) достигает также глобального максимума в допустимой области. Градиент в точке максимума х 3 =х * составляет тупой угол с любым вектором из допустимой области, проходящим через х 3 , поэтому скалярное произведение будет отрицательным для любого допустимого r k , кроме r 3 , направленного по граничной прямой. Для него скалярное произведение =0, так как и взаимно перпендикулярны (граничная прямая касается линии уровня поверхности f (х ), проходящей через точку максимума х *). Это равенство и служит аналитическим признаком того, что в точке х 3 функция f (x ) достигла максимума.

Рассмотрим теперь аналитическое решение задачи (7.33) - (7.35). Если оптимизационный поиск начинается с точки, лежащей в допустимой области (все ограничения задачи выполняются как строгие неравенства), то перемещаться следует по направлению градиента так, как установлено выше. Однако теперь выбор λ k в уравнении (7.29) усложняется требованием, чтобы очередная точка оставалась в допустимой области. Это означает, что ее координаты должны удовлетворять ограничениям (7.34), (7.35), т. е. должны выполняться неравенства:

(7.36)

Решая систему линейных неравенств (7.36), находим отрезок допустимых значений параметра λ k , при которых точка х k +1 будет принадлежать допустимой области.

Значение λ k * , определяемое в результате решения уравнения (7.32):

При котором f (x ) имеет локальный максимум по λ k в направлении, должно принадлежать отрезку . Если же найденное значение λ k выходит за пределы указанного отрезка, то в качестве λ k * принимается . В этом случае очередная точка поисковой траектории оказывается на граничной гиперплоскости, соответствующей тому неравенству системы (7.36), по которому при решении системы получена правая конечная точка . отрезка допустимых значений параметра λ k .

Если оптимизационный поиск начат с точки, лежащей на граничной гиперплоскости, или очередная точка поисковой траектории оказалась на граничной гиперплоскости, то для продолжения движения к точке максимума прежде всего необходимо найти наилучшее направление движения С этой целью следует решить вспомогательную задачу математического программирования, а именно- максимизировать функцию

при ограничениях

для тех t , при которых

где .

В результате решения задачи (7.37) - (7.40) будет найден вектор , составляющий с градиентом наименьший острый угол.

Условие (7.39) говорит о том, что точка принадлежит границе допустимой области, а условие (7.38) означает, что перемещение из по вектору будет направлено внутрь допустимой области или по ее границе. Условие нормализации (7.40) необходимо для ограничения величины , так как в противном случае значение целевой функции (7.37) можно сделать сколь угодно большим Известны различные формы условий нормализации, и в зависимости от этого задача (7.37) - (7.40) может быть линейной или нелинейной.

После определения направления находится значение λ k * для следующей точки поисковой траектории. При этом используется необходимое условие экстремума в форме, аналогичной уравнению (7.32), но с заменой на вектор , т. е.

(7.41)

Оптимизационный поиск прекращается, когда достигнута точка x k * , в которой .

Пример 7.5. Максимизировать функцию при ограничениях

Решение. Для наглядного представления процесса оптимизации будем сопровождать его графической иллюстрацией. На рис 7.8 изображено несколько линий уровня данной поверхности и допустимая область ОАВС, в которой следует найти точку х *, доставляющую максимум данной функции (см. пример 7 4).

Начнем оптимизационный поиск, например с точки х 0 =(4, 2,5), лежащей на граничной прямой АВ x 1 +4x 2 =14. При этом f (х 0)=4,55.

Найдем значение градиента

в точке x 0 . Кроме того, и по рисунку видно, что через допустимую область проходят линии уровня с пометками более высокими, чем f (x 0)=4,55. Словом, надо искать направление r 0 =(r 01 , r 02) перемещения в следующую точку x 1 более близкую к оптимальной. С этой целью решаем задачу (7.37) - (7.40) максимизации функции при ограничениях

Поскольку точка х 0 располагается только на одной (первой) граничной прямой (i =1) x 1 +4x 2 =14, то условие (7.38) записывается в форме равенства.

Система ограничительных уравнений этой задачи имеет только два решения (-0,9700; 0,2425) и (0,9700;-0,2425) Непосредственной подстановкой их в функцию T 0 устанавливаем, что максимум Т 0 отличен от нуля и достигается при решении (-0,9700; 0,2425) Таким образом, перемещаться из х 0 нужно по направлению вектора r 0 =(0,9700; 0,2425), т е по граничной прямой ВА.

Для определения координат следующей точки x 1 =(x 11 ; x 12)

(7.42)

необходимо найти значение параметра , при котором функция f (x ) в точке x

откуда =2,0618. При этом =-0,3999<0. Значит,=2,0618. По формуле (7.42) находим координаты новой точки х 1 (2; 3).

Если продолжить оптимизационный поиск, то при решении очередной вспомогательной задачи (7.37)- (7.40) будет установлено, что Т 1 =, а это говорит о том, что точка x 1 является точкой максимума х* целевой функции в допустимой области. Это же видно и из рисунка в точке x 1 одна из линий уровня касается границы допустимой области. Следовательно, точка x 1 является точкой максимума х*. При этом f max =f (x *)=5,4.

Задача с нелинейными ограничениями. Если в задачах с линейными ограничениями движение по граничным прямым оказывается возможным и даже целесообразным, то при нелинейных ограничениях, определяющих выпуклую область, любое как угодно малое перемещение из граничной точки может сразу вывести за пределы области допустимых решений, и возникнет необходимость в возвращении в допустимую область (рис. 7.9). Подобная ситуация характерна для задач, в которых экстремум функции f (x ) достигается на границе области. В связи с этим применяются различные

способы перемещения, обеспечивающие построение последовательности точек, расположенных вблизи границы и внутри допустимой области, или зигзагообразное движение вдоль границы с пересечением последней. Как видно из рисунка, возврат из точки x 1 в допустимую область следует осуществлять вдоль градиента той граничной функции , которая оказалась нарушенной. Это обеспечит отклонение очередной точки х 2 в сторону точки экстремума х*. Признаком экстремума в подобном случае будет коллинеарность векторов и .

Вектор-градиент направлен в сторону наискорейшего возрастания функции в данной точке. Вектор, противоположный градиенту -grad(/(x)), называется антиградиентом и направлен в сторону наискорейшего убывания функции. В точке минимума градиент функции равен нулю. На свойствах градиента основаны методы первого порядка, называемые также градиентным. Если нет дополнительной информации, то из начальной точки х (0 > лучше перейти в точку х (1) , лежащую в направлении антиградиента - наискорейшего убывания функции. Выбирая в качестве направления спуска антиградиент -grad(/(x (^)) в точке х (к получим итерационный процесс вида

В координатной форме этот процесс записывается следующим образом:

В качестве критерия останова итерационного процесса можно использовать либо условие (10.2), либо выполнение условия малости градиента

Возможен и комбинированный критерий, состоящий в одновременном выполнении указанных условий.

Градиентные методы отличаются друг от друга способами выбора величины шага а В методе с постоянным шагом для всех итераций выбирается некоторая постоянная величина шага. Достаточно малый шаг а^ обеспечивает убывание функции, т.е. выполнение неравенства

Однако это может привести к необходимости проводить достаточно большое количество итераций для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой шаг может вызвать рост функции либо привести к колебаниям около точки минимума. Требуется дополнительная информация для выбора величины шага, поэтому методы с постоянным шагом применяются на практике редко.

Более надежны и экономичны (в смысле количества итераций) градиентные методы с переменным шагом, когда в зависимости от полученного приближения величина шага некоторым образом меняется. В качестве примера такого метода рассмотрим метод наискорейшего спуска. В этом методе на каждой итерации величина шага я* выбирается из условия минимума функции /(х) в направлении спуска, т.е.

Это условие означает, что движение вдоль антиградиента происходит до тех пор, пока значение функции /(х) убывает. Поэтому на каждой итерации необходимо решать задачу одномерной минимизации по я функции ф(я) =/(х (/г) - - agrad^x^))). Алгоритм метода наискорейшего спуска состоит в следующем.

• 1. Зададим координаты начальной точки х^° точность приближенного решения г. Положим k = 0.
• 2. В точке х (/г) вычислим значение градиента grad(/(x (^)).
• 3. Определим величину шага а^ путем одномерной минимизации по я функции ср(я).
• 4. Определим новое приближение к точке минимума х (* +1 > по формуле (10.4).
• 5. Проверим условия останова итерационного процесса. Если они выполняются, то вычисления прекращаются. В противном случае полагаем k k + 1 и переходим к п. 2.

В методе наискорейшего спуска направление движения из точки х (*) касается линии уровня в точке х (* +1) . Траектория спуска зигзагообразная, и соседние звенья зигзага ортогональны друг другу. Действительно, шаг а^ выбирается путем минимизации по а функции (а ). Необходимое условие

минимума функции - = 0. Вычислив производную

сложной функции, получим условие ортогональности векторов направлений спуска в соседних точках:

Задачу минимизации функции ф(я) можно свести к задаче вычисления корня функции одной переменной g(a) =

Градиентные методы сходятся к минимуму со скоростью геометрической прогрессии для гладких выпуклых функций. У таких функций наибольшее и наименьшее собственные значения матрицы вторых производных (матрицы Гессе)

мало отличаются друг от друга, т.е. матрица Н(х) хорошо обусловлена. Однако на практике минимизируемые функции часто имеют плохо обусловленные матрицы вторых производных. Значения таких функций вдоль некоторых направлений изменяются гораздо быстрее, чем в других направлениях. Скорость сходимости градиентных методов существенно зависит также от точности вычислений градиента. Потеря точности, а это обычно происходит в окрестности точек минимума, может вообще нарушить сходимость процесса градиентного спуска. Поэтому градиентные методы зачастую используются в комбинации с другими, более эффективными методами на начальной стадии решения задачи. В этом случае точка х (0) находится далеко от точки минимума, и шаги в направлении антиградиента позволяют достичь существенного убывания функции.

В основе метода лежит следующая итерационная модификация формулы

x k +1 = x k + a k s(x k),

x k+1 = x k - a k Ñ f(x k), где

a - заданный положительный коэффициент;

Ñ f(x k) - градиент целевой функции первого порядка.

Недостатки:

необходимость выбора подходящего значения ;

медленная сходимость к точке минимума ввиду малости f(x k) в окрестности этой точки.

Метод наискорейшего спуска

Свободен от первого недостатка простейшего градиентного метода, т.к. a k вычисляется путем решения задачи минимизации Ñ f(x k) вдоль направления Ñ f(x k) с помощью одного из методов одномерной оптимизации x k+1 = x k - a k Ñ f(x k).

Данный метод иногда называют методом Коши.

Алгоритм характеризуется низкой скоростью сходимости при решении практических задач. Это объясняется тем, что изменения переменных непосредственно зависит от величины градиента, которая стремится к нулю в окрестности точки минимума и отсутствует механизм ускорения на последних итерациях. Поэтому, учитывая устойчивость алгоритма, метод наискорейшего спуска часто используется как начальная процедура поиска решения (из точек, расположенных на значительных расстояниях от точки минимума).

Метод сопряженных направлений

Общая задача нелинейного программирования без ограничений сводится к следующему: минимизировать f(x), x E n , где f(x) является целевой функцией. При решении этой задачи мы используем методы минимизации, которые приводят к стационарной точке f(x), определяемой уравнением f(x *)=0. Метод сопряженных направлений относится к методам минимизации без ограничений, использующим производные. Задача: минимизировать f(x), x E n , где f(x) является целевой функцией n независимых переменных. Важной особенностью является быстрая сходимость за счет того, что при выборе направления используется матрица Гессе, которая описывает область топологии поверхности отклика. В частности, если целевая функция квадратичная, то можно получить точку минимума не более чем за количество шагов, равное размерности задачи.

Для применения метода на практике его необходимо дополнить процедурами проверки сходимости и линейной независимости системы направлений. Методы второго порядка

Метод Ньютона

Последовательное применение схемы квадратичной аппроксимации приводит к реализации оптимизационного метода Ньютона по формуле

x k +1 = x k - Ñ 2 f(x k -1) Ñ f(x k).

Недостатком метода Ньютона является его недостаточная надежность при оптимизации не квадратичных целевых функций. Поэтому его часто модифицируют:

x k +1 = x k - a k Ñ 2 f(x k -1) Ñ f(x k), где

a k - параметр, выбираемый таким образом, чтобы f(x k+1) min.

2. Нахождение экстремума функции без ограничения

Дана некоторая функция f(х) на открытом интервале (а, в) изменения аргумента х. Предполагаем, что exst внутри этого интервала существует (нужно сказать, что в общем случае математически заранее это утверждать не могут; однако в технических приложениях очень часто наличие exst внутри некоторого интервала изменения интервала изменения аргумента может быть предсказано из физических соображений).

Определение exst. Функция f(x) заданная на интервале (а, в) имеет в точке x * max(min), если эту точку можно окружить таким интервалом (x * -ε, x * +ε), содержащимся в интервале (а, в), что для всех ее точек х, принадлежащих интервалу (x * -ε, x * +ε), выполняется неравенство:

f(x) ≤ f(x *) → для max

f(x) ≥ f(x *) → для min

Это определение не накладывает никаких ограничений на класс функций f(x), что, конечно, очень ценно.

Если ограничится для функций f(x), достаточно распространенным, но все же более узким классом гладких функций (под гладкими функциями мы будем понимать такие функции, которые непрерывны вместе со своими производными на интервале изменения аргумента), то можно воспользоваться теоремой Ферма, которая дает необходимые условия существования exst.

Теорема Ферма. Пусть функция f(x) определена в некотором интервале (а, в) и в точке "с" этого интервала принимает наибольшее (наименьшее) значение. Если существует в этой точке двухсторонняя конечная производная , то существования необходимоexst .

Примечание. Двухсторонняя производная характеризуется свойством иными словами, речь идет о том, что в точке "с" производная в пределе одна и та же при подходе к точке "с" слева и справа, т.е.f(x) – гладкая функция.

* В случае имеет местоmin, а при →max. Наконец, если при х=х 0 , то использование 2-ой производной не помогает и нужно воспользоваться, например, определением exst.

При решении задачи I необходимые условия exst (т.е. теорема Ферма) используется очень часто.

Если уравнение exst имеет вещественные корни, то точки, соответствующие этим корням, являются подозрительными наexst (но не обязательно самыми экстремумами, ибо имеем дело с необходимыми, а не с необходимыми и достаточными условиями). Так, например, в точке перегиба Х п имеет место , однако, как известно, это не экстремум.

Заметим ещё, что:

из необходимых условий нельзя сказать, какой вид экстремума найден max или min: для определения этого нужны дополнительные исследования;

из необходимых условий нельзя определить, глобальный это экстремум или локальный.

Поэтому, когда находят точки подозрительные на exst, их дополнительно исследуют, например, на основе определения exst или 2-ой производной.

1. Понятие градиентных методов. Необходимым условием существова­ния экстремума непрерывной дифференцируемой функции яв­ляются условия вида

где – аргументы функции. Более компактно это условие можно записать в форме

(2.4.1)

где – обозначение градиента функции в заданной точке.

Методы оптимизации, использующие при определении экстремума целе­вой функции градиент, называются градиентными. Их широко применяют в системах оптимального адаптивного управления установившимися состояния­ми, в которых производится поиск оптимального (в смысле выбранного крите­рия) установившегося состояния системы при изменении ее параметров, струк­туры или внешних воздействий.

Уравнение (2.4.1) в общем случае нелинейно. Непосредственное решение его либо невозможно, либо весьма сложно. Нахождение решений такого рода уравнений возможно путем организации специальной процедуры поиска точки экстремума, основанной на использовании различного рода рекуррентных фор­мул.

Процедура поиска строится в форме многошагового процесса, при кото­ром каждый последующий шаг приводит к увеличению или уменьшению целе­вой функции, т. е. выполняются условия в случае поиска максимума и миниму­ма соответственно:

Через n и n– 1 обозначены номера шагов, а через и – векторы, соответствующие значениям аргументов целевой функции на n -м и (п– 1)-м шагах. После r-го шага можно получить

т. е. после r - шагов - целевая функция уже не будет увеличиваться (уменьшать­ся) при любом дальнейшем изменении ее аргументов;. Последнее означает достижение точки с координатами для которой можно написать, что

	(2.4.2)
	(2.4.3)

где – экстремальное значение целевой функции.

Для решения (2.4.1) в общем случае может быть применена следующая процедура. Запишем значение координат целевой функции в виде

где – некоторый коэффициент (скаляр), не равный нулю.

В точке экстремума так как

Решение уравнения (2.4.1) этим способом возможно, если выполняется условие сходимости итерационного процесса для любого начального значения.

Методы определения , основанные на решении уравнения (2.2.), отли­чаются друг от друга выбором , т. е. выбором шага изменения целевой функции в процессе поиска экстремума. Этот шаг может быть постоянным или переменным Во втором случае закон изменения зна­чения шага, в свою очередь, может, быть заранее определен или. зависеть от те­кущего значения (может быть нелинейным).

2. Метод наискорейшего спуска .Идея метода наискорейшего спуска со­стоит в том, что поиск экстремума должен производиться в направлении наи­большего изменения градиента или антиградиента, так как это путь – наикрат­чайший для достижения экстремальной точки. При его реализации, в первую очередь, необходимо вычислить градиент в данной точке и выбрать значение шага.

Вычисление градиента. Так как в результате оптимизации находятся координаты точки экстремума, для которых справедливо соотношение:

то вычислительную процедуру определения градиента можно заменить процедурой определения составляющих градиентов в дискретных точках пространства целевой функции

	(2.4.5)

где – малое изменение координаты

Если предположить, что точка определения градиента находится посередине

отрезка то

Выбор (2.4.5) или (2.4.6) зависит от крутизны функции на участке - Ах;; если крутизна не велика, предпочтение следует отдать (2.4.5), так как вычислений здесь меньше; в противном случае более точные результаты дает вычисление по (2.4.4). Повышение точности определения градиента возможно также за счет усреднения случайных отклонений.

Выбор значения шага Сложность выбора значения шага состоит в том, что направление градиента может меняться от точки к точке. При этом слишком большой шаг приведёт к отклонению от оптимальной траектории, т. е. от направления по градиенту или антиградиенту, а слишком малый шаг -к очень медленному движению к экстремуму за счет необходимости выполнения большого объёма вычислений.

Одним из возможных методов оценки значения шага является метод Ньютона – Рафсона. Рассмотрим его на примере одномерного случая в предположении, что экстремум достигается в точке, определяемой решением уравнения (рис.2.4.2).

Пусть поиск начинается из точки причем в окрестностях этой точки функция разложима в сходящийся ряд Тейлора. Тогда

Направление градиента в точке совпадает с направлением касательной. При поиске минимальной экстремальной точки изменение координаты х при движении по градиенту можно записать в виде:

Рис.2.4.2 Схема вычисления шага по методу Ньютона – Рафсона.

Подставив (2.4.7) в (2.4.8), получим:

Так как по условию данного примера значение достигается в точке, определяемой решением уравнения то можно попытаться сделать такой шаг, чтобы т. е. чтобы

Подставим новое значение в целевую функцию. Если то в точке процедура определения повторяется, в результате чего находится значение:

и т.д. вычисление прекращается, если изменения целевой функции малы, т. е.

где – допустимая погрешность определения целевой функции.

Оптимальный градиентный метод. Идея этого метода заключается в следующем. В обычном методе наискорейшего спуска шаг выбирается в общем случае [когда ] произвольно, руководствуясь лишь тем, что он не должен превышать определенного значения. В оптимальном градиентном методе значение шага выбирается исходя из требования, что из данной точки в направлении градиента (антиградиента) следует двигаться до тех пор, пока целевая функция будет увеличиваться (уменьшаться). Если это требование не выполняется, необходимо прекратить движение и определить новое направление движения (направление градиента) и т. д. (до нахождения оптимальной точки).

Таким образом, оптимальные значения и для поиска минимума и максимума соответственно определяются из решения уравнений:

В (1) и (2) соответственно

Следовательно определение на каждом шаге заключается в нахождении из уравнений (1) или (2) для каждой точки траектории движения вдоль градиента, начиная с исходной.

В задаче безусловной оптимизации отсутствуют ограничения.

Напомним, что градиентом многомерной функции называют вектор, который аналитически выражается геометрической суммой частных производных

Градиент скалярной функции F (X ) в некоторой точке направлен в сторону наискорейшего возрастания функции и ортогонален линии уровня (поверхности постоянного значения F (X ), проходящей через точку X k ). Вектор, противоположный градиенту  антиградиент  направлен в сторону наискорейшего убывания функции F (X ). В точке экстремума grad F (X )= 0.

В градиентных методах движение точки при поиске минимума целевой функции описывается итерационной формулой

где  k  параметр шага на k -й итерации вдоль антиградиента. Для методов восхождения (поиска максимума) нужно двигаться по градиенту.

Различные варианты градиентных методов отличаются друг от друга способом выбора параметра шага, а также учета направления движения на предыдущем шаге . Рассмотрим следующие варианты градиентных методов: с постоянным шагом, с переменным параметром шага (дроблением шага), метод наискорейшего спуска и метод сопряженных градиентов.

Метод с постоянным параметром шага. В этом методе параметр шага постоянен на каждой итерации. Возникает вопрос: как практически выбрать величину параметра шага? Достаточно малый параметр шага может привести к неприемлемо большому количеству итераций, необходимых для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой параметр шага может привести к проскакиванию точки минимума и к колебательному вычислительному процессу около этой точки. Указанные обстоятельства являются недостатками метода. Поскольку невозможно заранее угадать приемлемое значение параметра шага  k , то возникает необходимость использования градиентного метода с переменным параметром шага.

По мере приближения к оптимуму вектор градиента уменьшается по величине, стремясь к нулю, поэтому при  k = const длина шага постепенно уменьшается. Вблизи оптимума длина вектора градиента стремится к нулю. Длина вектора или норма в n -мерном евклидовом пространстве определяется по формуле

, где n  число переменных.

Варианты остановки процесса поиска оптимума:

C практической точки зрения удобней пользоваться 3-им критерием остановки (поскольку представляют интерес значения параметров проектирования), однако для определения близости точки экстремума нужно ориентироваться на 2-й критерий. Для остановки вычислительного процесса можно использовать несколько критериев.

Рассмотрим пример. Найти минимум целевой функции F (X ) = (x 1  2) 2 + (x 2  4) 2 . Точное решение задачи X*= (2,0;4,0). Выражения для частных производных

,
.

Выбираем шаг  k = 0,1. Осуществим поиск из начальной точки X 1 = . Решение представим в виде таблицы.

Градиентный метод с дроблением параметра шага. В этом случае в процессе оптимизации параметр шага  k уменьшается, если после очередного шага целевая функция возрастает (при поиске минимума). При этом часто длина шага дробится (делится) пополам, и шаг повторяется из предыдущей точки. Так обеспечивается более точный подход к точке экстремума.

Метод наискорейшего спуска. Методы с переменным шагом являются более экономичными с точки зрения количества итераций. В случае если оптимальная длина шага  k вдоль направления антиградиента является решением одномерной задачи минимизации, то такой метод называется методом наискорейшего спуска. В этом методе на каждой итерации решается задача одномерной минимизации:

F(X k+1 )=F(X k   k S k )=min F( k ), S k =  F(X);

 k >0

.

В данном методе движение в направлении антиградиента продолжается до достижения минимума целевой функции (пока значение целевой функции убывает). На примере рассмотрим, как аналитически может быть записана на каждом шаге целевая функция в зависимости от неизвестного параметра

Пример. min F (x 1 , x 2 ) = 2x 1 2 + 4x 2 3 – 3. Тогда  F (X )= [ 4x 1 ; 12x 2 2 ]. Пусть точка X k = , следовательно  F (X )= [ 8; 12], F (X k   S k ) =

2(2  8 ) 2 + 4(1  12 ) 3  3. Необходимо найти , доставляющее минимум данной функции.

Алгоритм метода наискорейшего спуска (для поиска минимума)

Начальный шаг . Пусть   константа остановки. Выбрать начальную точку X 1 , положить k = 1 и перейти к основному шагу.

Основной шаг . Если || gradF (X )||< , то закончить поиск, в противном случае определить  F (X k ) и найти  k  оптимальное решение задачи минимизации F (X k   k S k ) при  k  0. Положить X k +1 = X k   k S k , присвоить k =

k + 1 и повторить основной шаг.

Для поиска минимума функции одной переменной в методе наискорейшего спуска можно использовать методы унимодальной оптимизации. Из большой группы методов рассмотрим метод дихотомии (бисекции) и золотого сечения. Суть методов унимодальной оптимизации заключается в сужении интервала неопределенности размещения экстремума.

Метод дихотомии (бисекции) Начальный шаг. Выбирают константу различимости  и конечную длину интервала неопределенности l . Величина  должна быть по возможности меньшей, однако позволяющей различать значения функции F ( ) и F ( ) . Пусть [ a 1 , b 1 ]  начальный интервал неопределенности. Положить k =

Основной этап состоит из конечного числа однотипных итераций.

k-я итерация.

Шаг 1. Если b k  a k  l , то вычисления заканчиваются. Решение x * = (a k + b k )/2. В противном случае

,
.

Шаг 2. Если F ( k ) < F ( k ), положить a k +1 = a k ; b k +1 =  k . В противном случае a k +1 =  k и b k +1 = b k . Присвоить k = k + 1 и перейти к шагу 1.

Метод золотого сечения. Более эффективный метод, чем метод дихотомии. Позволяет получить заданную величину интервала неопределенности за меньшее число итераций и требует меньшего числа вычислений целевой функции. В этом методе новая точка деления интервала неопределенности вычисляется один раз. Новая точка ставится на расстоянии

 = 0,618034 от конца интервала.

Алгоритм метода золотого сечения

Начальный шаг. Выбрать допустимую конечную длину интервала неопределенности l > 0. Пусть [ a 1 , b 1 ]  начальный интервал неопределенности. Положить  1 = a 1 +(1   )(b 1  a 1 ) и  1 = a 1 +  (b 1  a 1 ) , где  = 0,618 . Вычислить F ( 1 ) и F ( 1 ) , положить k = 1 и перейти к основному этапу.

Шаг 1. Если b k  a k  l , то вычисления заканчиваются x * = (a k + b k )/ 2. В противном случае если F ( k ) > F ( k ) , то перейти к шагу 2; если F ( k )  F ( k ) , перейти к шагу 3.

Шаг 2. Положить a k +1 =  k , b k +1 = b k ,  k +1 =  k ,  k +1 = a k +1 +  (b k +1 – a k +1 ). Вычислить F ( k +1 ), перейти к шагу 4.

Шаг 3. Положить a k +1 = a k , b k +1 =  k ,  k +1 =  k ,  k +1 = a k +1 + (1   )(b k +1 – a k +1 ). Вычислить F ( k +1 ).

Шаг 4. Присвоить k = k + 1, перейти к шагу 1.

На первой итерации необходимы два вычисления функции, на всех последующих только одно.

Метод сопряженных градиентов (Флетчера-Ривса). В этом методе выбор направления движения на k + 1 шаге учитывает изменение направления на k шаге. Вектор направления спуска является линейной комбинацией направления антиградиента и предыдущего направления поиска. В этом случае при минимизации овражных функций (с узкими длинными впадинами) поиск идет не перпендикулярно оврагу, а вдоль него, что позволяет быстрее прийти к минимуму. Координаты точки при поиске экстремума методом сопряженных градиентов рассчитываются по выражению X k +1 = X k   V k +1 , где V k +1 – вектор, рассчитываемый по следующему выражению:

.

На первой итерации обычно полагается V = 0 и выполняется поиск по антиградиенту, как в методе наискорейшего спуска. Затем направление движения отклоняется от направления антиградиента тем больше, чем значительнее менялась длина вектора градиента на последней итерации. После n шагов для коррекции работы алгоритма делают обычный шаг по антиградиенту.

Алгоритм метода сопряженных градиентов

Шаг 1. Ввести начальную точку Х 0 , точность  , размерность n .

Шаг 2. Положить k = 1.

Шаг 3. Положить вектор V k = 0.

Шаг 4. Вычислить grad F (X k ).

Шаг 5. Вычислить вектор V k +1.

Шаг 6. Выполнить одномерный поиск по вектору V k +1.

Шаг 7. Если k < n , положить k = k + 1 и перейти к шагу 4, иначе к шагу 8.

Шаг 8. Если длина вектора V меньше , окончить поиск, иначе  перейти к шагу 2.

Метод сопряженных направлений является одним из наиболее эффективных в решении задач минимизации. Метод в совокупности с одномерным поиском часто практически используется в САПР. Однако следует отметить, что он чувствителен к ошибкам, возникающим в процессе счета.

Недостатки градиентных методов

В задачах с большим числом переменных трудно или невозможно получить производные в виде аналитических функций.

При вычислении производных по разностным схемам возникающая при этом ошибка, особенно в окрестностях экстремума, ограничивает возможности такой аппроксимации.