对于一个多元函数,用最速下降法(又称梯度下降法)求其极小值的迭代格式为
一般情况下,最优步长αkαk的确定要用到线性搜索技术,比如精确线性搜索,但是更常用的是不精确线性搜索,主要是Goldstein不精确线性搜索和Wolfe法线性搜索。
为了调用的方便,编写一个Python文件,里面存放线性搜索的子函数,命名为linesearch.py,这里先只编写了Goldstein线性搜索的函数,关于Goldstein原则,可以参看最优化课本。
线性搜索的代码如下(使用版本为Python3.3):
''' 线性搜索子函数 ''' import numpy as np import random def goldsteinsearch(f,df,d,x,alpham,rho,t): flag=0 a=0 b=alpham fk=f(x) gk=df(x) phi0=fk dphi0=np.dot(gk,d) alpha=b*random.uniform(0,1) while(flag==0): newfk=f(x+alpha*d) phi=newfk if(phi-phi0<=rho*alpha*dphi0): if(phi-phi0>=(1-rho)*alpha*dphi0): flag=1 else: a=alpha b=b if(b<alpham): alpha=(a+b)/2 else: alpha=t*alpha else: a=a b=alpha alpha=(a+b)/2 return alpha
上述函数的输入参数主要包括一个多元函数f,其导数df,当前迭代点x和当前搜索方向d,返回值是根据Goldstein准则确定的搜索步长。
我们仍以Rosenbrock函数为例,即有
于是可得函数的梯度为
最速下降法的代码如下:
""" 最速下降法 Rosenbrock函数 函数 f(x)=100*(x(2)-x(1).^2).^2+(1-x(1)).^2 梯度 g(x)=(-400*(x(2)-x(1)^2)*x(1)-2*(1-x(1)),200*(x(2)-x(1)^2))^(T) """ import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import random import linesearch from linesearch import goldsteinsearch def rosenbrock(x): return 100*(x[1]-x[0]**2)**2+(1-x[0])**2 def jacobian(x): return np.array([-400*x[0]*(x[1]-x[0]**2)-2*(1-x[0]),200*(x[1]-x[0]**2)]) X1=np.arange(-1.5,1.5+0.05,0.05) X2=np.arange(-3.5,2+0.05,0.05) [x1,x2]=np.meshgrid(X1,X2) f=100*(x2-x1**2)**2+(1-x1)**2; # 给定的函数 plt.contour(x1,x2,f,20) # 画出函数的20条轮廓线 def steepest(x0): print('初始点为:') print(x0,'\n') imax = 20000 W=np.zeros((2,imax)) W[:,0] = x0 i = 1 x = x0 grad = jacobian(x) delta = sum(grad**2) # 初始误差 while i<imax and delta>10**(-5): p = -jacobian(x) x0=x alpha = goldsteinsearch(rosenbrock,jacobian,p,x,1,0.1,2) x = x + alpha*p W[:,i] = x grad = jacobian(x) delta = sum(grad**2) i=i+1 print("迭代次数为:",i) print("近似最优解为:") print(x,'\n') W=W[:,0:i] # 记录迭代点 return W x0 = np.array([-1.2,1]) W=steepest(x0) plt.plot(W[0,:],W[1,:],'g*',W[0,:],W[1,:]) # 画出迭代点收敛的轨迹 plt.show()
为了实现不同文件中函数的调用,我们先用import函数导入了线性搜索的子函数,也就是下面的2行代码
import linesearch from linesearch import goldsteinsearch
当然,如果把定义goldsteinsearch函数的代码直接放到程序里面,就不需要这么麻烦了,但是那样的话,不仅会使程序显得很长,而且不便于goldsteinsearch函数的重用。
此外,Python对函数式编程也支持的很好,在定义goldsteinsearch函数时,可以允许抽象的函数f,df作为其输入参数,只要在调用时实例化就可以了。与Matlab不同的是,传递函数作为参数时,Python是不需要使用@将其变为函数句柄的。
运行结果为
初始点为: [-1.2 1. ] 迭代次数为: 1504 近似最优解为: [ 1.00318532 1.00639618] 迭代点的轨迹为
由于在线性搜索子程序中使用了随机函数,初始搜索点是随机产生的,因此每次运行的结果不太相同,比如再运行一次程序,得到
初始点为: [-1.2 1. ] 迭代次数为: 1994 近似最优解为: [ 0.99735222 0.99469882]
所得图像为
以上这篇用Python实现最速下降法求极值的方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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