写在前面
SciPy的optimize模块提供了许多数值优化算法,下面对其中的一些记录。
非线性方程组求解
SciPy中对非线性方程组求解是fslove()函数,它的调用形式一般为fslove(fun, x0),fun是计算非线性方程组的误差函数,它需要一个参数x,fun依靠x来计算线性方程组的每个方程的值(或者叫误差),x0是x的一个初始值。
""" 计算非线性方程组: 5x1+3 = 0 4x0^2-2sin(x1x2)=0 x1x2-1.5=0 """ ## 误差函数 def fun(x): x0,x1,x2 = x.tolist() return[5*x1+3,4x0^2-2sin(x1x2),x1x2-1.5] result = optimize.fsolve(fun,[1,1,1]) ## result [-0.70622057 -0.6 -2.5]
在计算非线性方程中的解时,比如像坐标上升算法,其中需要用到未知数的导数,同样,scipy的fslove()也提供了fprime参数传递未知数的雅各比矩阵从而加速计算,传递的雅各比矩阵每一行时某一方程对各个未知数的导数。对于上面的例子,我们可以写下如下的雅各比矩阵传入。
def j(x): x0,x1,x2 = x.tolist() return[[0,5,0],[8*x0,-2*x2*cos(x1*x2],[0,x2,x1]] result = optimize.fsolve(fun,[1,1,1],fprime=j) #result [-0.70622057 -0.6 -2.5]
scipy的内部在实现fslove时应该时应该是利用了坐标上升算法或者梯度相关优化算法,但本人没有考证,有兴趣的可以看看源码。
最小二乘拟合
关于最小二乘算法的理论这里并不想谈,网上解释的文章也挺多,在 optimize模块中,可以使用leastsq()对数据进行最小二乘拟合计算。 leastsq()的用法很简单,只需要将计箅误差的函数和待确定参数的初始值传递给它即可。
x = np.array([8.19,2.72,6.39,8.71,4.7,2.66,3.78]) y = np.array([7.01,2.78,6.47,6.71,4.1,4.23,4.05]) def residual(p): k,b = p return y-(k*x+b) r = optimize.leastsq(residual,[1,0]) k,b = r[0] # print k .613495349193 # print b .79409254326
def func(x,p): """ 计算的正弦波 :A*sin(2*pi*k*x+theta) """ A,k,theta = p return A*sin(2*np.pi*k*x+theta) def redis(p,y,x): return y-func(x,p) x = np.linspace(0,2*np.pi,100) A,k,theta = 10,0.34,np.pi/6 y0 = func(x,[A,k,theta]) # 加入噪声 np.random.seed(0) y1 = y0+2*np.random.randn(len(x)) p0 = [7,0.40,0] # p0是A,k,theta的初始值,y1,x要拟合的数据 plsq = optimize.leastsq(redis, p0,args=(y1,x)) print [A,k,theta] #真是的参数值 print plsq[0] #拟合后的参数值
对于像正弦波或者余弦波的曲线拟合,optimize提供curve_fit()函数,它的使用方式和leastq()稍有不同,它直接计算曲线的值,比如上面的拟合正弦波可以用cureve_fit()来写。
def func2(x,p): """ 计算的正弦波 :A*sin(2*pi*k*x+theta) """ A,k,theta = p return A*sin(2*np.pi*k*x+theta) ret,_=optimize.curve_fit(func2,x,y1,p0=p0)
该函数有一个缺点就是对于初始值敏感,如果初始频率和真实频率值差太多,会导致最后无法收敛到真是频率。
局部最小值
optimize模块还提供了常用的最小值算法如:Nelder-Mead、Powell、CG、BFGS、Newton-CG等,在这些最小值计算时,往往会传入一阶导数矩阵(雅各比矩阵)或者二阶导数矩阵(黑塞矩阵)从而加速收敛,这些最优化算法往往不能保证收敛到全局最小值,大部分会收敛到局部极小值。这些函数的调用方式为:
optimize.minimize(target_fun,init_val,method,jac,hess) target_fun:函数的表达式计算; init_val:初始值; method:最小化的算法; jac:雅各比矩阵 hess:黑塞矩阵。
全局最小值算法
全局最小值使用optimize.basinhopping()来实现,这个函数首先要定义一个误差计算方式,比如平方误差函数,niter时迭代的次数,最后还需要一个局部极小值优化方法,minimizer_kwargs传入。比如上面的正弦函数拟合:
def func1(x,p): """ 计算的正弦波 :A*sin(2*pi*k*x+theta) """ A,k,theta = p return A*sin(2*np.pi*k*x+theta) def func_error(p,y,x): return np.sum((y-func1(x,p)**2) result = optimize.basinhopping(func_error,[1,1,1],niter=10, minimizer_kwargs={"method":"L-BFGS-B", "args":(y1,x1)}) ## [1,1,1]是传入的初始值,args是需要拟合的数据
以上这篇python科学计算之scipy——optimize用法就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。
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稳了!魔兽国服回归的3条重磅消息!官宣时间再确认!
昨天有一位朋友在大神群里分享,自己亚服账号被封号之后居然弹出了国服的封号信息对话框。
这里面让他访问的是一个国服的战网网址,com.cn和后面的zh都非常明白地表明这就是国服战网。
而他在复制这个网址并且进行登录之后,确实是网易的网址,也就是我们熟悉的停服之后国服发布的暴雪游戏产品运营到期开放退款的说明。这是一件比较奇怪的事情,因为以前都没有出现这样的情况,现在突然提示跳转到国服战网的网址,是不是说明了简体中文客户端已经开始进行更新了呢?
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