Градиентные методы обучения. Общая характеристика методов

Градиентный метод и его разновидности относятся к самым распространенным методам поиска экстремума функций нескольких переменных. Идея градиентного метода заключается в том, чтобы в процессе поиска экстремума (для определенности максимума) двигаться каждый раз в направлении наибольшего возрастания целевой функции.

Градиентный метод предполагает вычисление первых производных целевой функции по ее аргументам. Он, как и предыдущие, относится к приближенным методам и позволяет, как правило, не достигнуть точки оптимума, а только приблизиться к ней за конечное число шагов.

Рис. 4.11.

Рис. 4.12.

(двумерный случай)

Вначале выбирают начальную точку Если в одномерном случае (см. подпараграф 4.2.6) из нее можно было

сдвинуться только влево или вправо (см. рис. 4.9), то в многомерном случае число возможных направлений перемещения бесконечно велико. На рис. 4.11, иллюстрирующем случай двух переменных, стрелками, выходящими из начальной точки А, показаны различные возможные направления. При этом движение по некоторым из них дает увеличение значения целевой функции по отношению к точке А (например, направления 1-3), а по другим направлениям приводит к его уменьшению (направления 5-8). Учитывая, что положение точки оптимума неизвестно, считается наилучшим то направление, в котором целевая функция возрастает быстрее всего. Это направление называется градиентом функции. Отметим, что в каждой точке координатной плоскости направление градиента перпендикулярно касательной к линии уровня, проведенной через ту же точку.

В математическом анализе доказано, что составляющие вектора градиента функции у =/(*, х 2 , ..., х п) являются ее частными производными по аргументам, т.е.

&ад/(х 1 ,х 2 ,.= {ду/дху,ду/дх 2 , ...,ду/дх п }. (4.20)

Таким образом, при поиске максимума по методу градиента на первой итерации вычисляют составляющие градиента по формулам (4.20) для начальной точки и делают рабочий шаг в найденном направлении, т.е. осуществляется переход в новую точку -0)

У" с координатами:

1§гас1/(х (0)),

или в векторной форме

где X - постоянный или переменный параметр, определяющий длину рабочего шага, ?і>0. На второй итерации снова вычисляют

вектор градиента уже для новой точки.У, после чего по анало-

гичной формуле переходят в точку х^ > и т.д. (рис. 4.12). Для произвольной к- й итерации имеем

Если отыскивается не максимум, а минимум целевой функции, то на каждой итерации делается шаг в направлении, противоположном направлению градиента. Оно называется направлением антиградиента. Вместо формулы (4.22) в этом случае будет

Существует много разновидностей метода градиента, различающихся выбором рабочего шага. Можно, например, переходить в каждую последующую точку при постоянной величине X, и тогда

длина рабочего шага - расстояние между соседними точками х^

их 1 " - окажется пропорциональном модулю вектора градиента. Можно, наоборот, на каждой итерации выбирать X таким, чтобы длина рабочего шага оставалась постоянной.

Пример. Требуется найти максимум функции

у = 110-2(лг, -4) 2 -3(* 2 -5) 2 .

Разумеется, воспользовавшись необходимым условием экстремума, сразу получим искомое решение: х ] - 4; х 2 = 5. Однако на этом простом примере удобно продемонстрировать алгоритм градиентного метода. Вычислим градиент целевой функции:

grad у = {ду/дх-,ду/дх 2 } = {4(4 - *,); 6(5 - х 2)} и выбираем начальную точку

Л*» = {х}°> = 0; 4°> = О}.

Значение целевой функции для этой точки, как легко подсчитать, равно у[х^ j = 3. Положим, X = const = 0,1. Величина градиента в точке

Зс (0) равна grad y|x^j = {16; 30}. Тогда на первой итерации получим согласно формулам (4.21) координаты точки

х 1) = 0 + 0,1 16 = 1,6; х^ = 0 + 0,1 30 = 3.

у(х (1)) = 110 - 2(1,6 - 4) 2 - 3(3 - 5) 2 = 86,48.

Как видно, оно существенно больше предыдущего значения. На второй итерации имеем по формулам (4.22):

• 1,6 + 0,1 4(4 - 1,6) = 2,56;

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 .

Данное учебное пособие подготовлено на основе курса лекций по дисциплине «Нейроинформатика», читавшегося с 1994 года на факультете Информатики и вычислительной техники Красноярского государственного технического университета.

по данному курсу,

Следующие главы содержат одну или несколько лекций. Материал, приведенный в главах, несколько шире того, что обычно дается на лекциях. В приложения вынесены описания программ, используемых в данном курсе (

Включающий в себя два уровня - уровень запросов компонентов универсального нейрокомпьютера и уровень языков описания отдельных компонентов нейрокомпьютера.

учебный план

задания на лабораторные работы

#AutBody_14DocRoot

#AutBody_15DocRoot

Нейроучебник

#AutBody_16DocRoot

проект стандарта нейрокомпьютера

Данное пособие является электронным и включает в себя программы, необходимые для выполнения лабораторных работ.

Книга:

Разделы на этой странице:

Изучению градиентных методов обучения нейронных сетей посвящено множество работ (сослаться на все работы по этой теме не представляется возможным, поэтому дана ссылка на работы, где эта тема исследована наиболее детально). Кроме того, существует множество публикаций, посвященных градиентным методам поиска минимума функции (как и в предыдущем случае, ссылки даны только на две работы, которые показались наиболее удачными). Данный раздел не претендует на какую-либо полноту рассмотрения градиентных методов поиска минимума. В нем приведены только несколько методов, применявшихся в работе группой «НейроКомп». Все градиентные методы объединены использованием градиента как основы для вычисления направления спуска.

Метод наискорейшего спуска

1. Вычислить_оценку О2
2. О1=О2
3. Вычислить_градиент
4. Оптимизация шага Пустой_указатель Шаг
5. Вычислить_оценку О2
6. Если О1-О2<Точность то переход к шагу 2

Рис. 5. Метод наискорейшего спуска

Наиболее известным среди градиентных методов является метод наискорейшего спуска. Идея этого метода проста: поскольку вектор градиента указывает направление наискорейшего возрастания функции, то минимум следует искать в обратном направлении. Последовательность действий приведена на рис. 5.

Этот метод работает, как правило, на порядок быстрее методов случайного поиска. Он имеет два параметра - Точность, показывающий, что если изменение оценки за шаг метода меньше чем Точность, то обучение останавливается; Шаг - начальный шаг для оптимизации шага. Заметим, что шаг постоянно изменяется в ходе оптимизации шага.

Рис. 6. Траектории спуска при различных конфигурациях окрестности минимума и разных методах оптимизации.

Остановимся на основных недостатках этого метода. Во-первых, эти методом находится тот минимум, в область притяжения которого попадет начальная точка. Этот минимум может не быть глобальным. Существует несколько способов выхода из этого положения. Наиболее простой и действенный - случайное изменение параметров с дальнейшим повторным обучение методом наискорейшего спуска. Как правило, этот метод позволяет за несколько циклов обучения с последующим случайным изменением параметров найти глобальный минимум.

Вторым серьезным недостатком метода наискорейшего спуска является его чувствительность к форме окрестности минимума. На рис. 6а проиллюстрирована траектория спуска при использовании метода наискорейшего спуска, в случае, если в окрестности минимума линии уровня функции оценки являются кругами (рассматривается двумерный случай). В этом случае минимум достигается за один шаг. На рис. 6б приведена траектория метода наискорейшего спуска в случае эллиптических линий уровня. Видно, что в этой ситуации за один шаг минимум достигается только из точек, расположенных на осях эллипсов. Из любой другой точки спуск будет происходить по ломаной, каждое звено которой ортогонально к соседним звеньям, а длина звеньев убывает. Легко показать что для точного достижения минимума потребуется бесконечное число шагов метода градиентного спуска. Этот эффект получил название овражного, а методы оптимизации, позволяющие бороться с этим эффектом - антиовражных.

kParTan

1. Создать_вектор В1
2. Создать_вектор В2
3. Шаг=1
4. Вычислить_оценку О2
5. Сохранить_вектор В1
6. О1=О2
7. N=0
8. Вычислить_градиент
9. Оптимизация_шага Пустой_указатель Шаг
10. N=N+1
11. Если N 12. Сохранить_вектор В2
13. В2=В2-В1
14. ШагParTan=1
15. Оптимизация шага В2 ШагParTan
16. Вычислить_оценку О2
17. Если О1-О2<Точность то переход к шагу 5

Рис. 7. Метод kParTan

Одним из простейших антиовражных методов является метод kParTan. Идея метода состоит в том, чтобы запомнить начальную точку, затем выполнить k шагов оптимизации по методу наискорейшего спуска, затем сделать шаг оптимизации по направлению из начальной точки в конечную. Описание метода приведено на рис 7. На рис 6в приведен один шаг оптимизации по методу 2ParTan. Видно, что после шага вдоль направления из первой точки в третью траектория спуска привела в минимум. К сожалению, это верно только для двумерного случая. В многомерном случае направление kParTan не ведет прямо в точку минимума, но спуск в этом направлении, как правило, приводит в окрестность минимума меньшего радиуса, чем при еще одном шаге метода наискорейшего спуска (см. рис. 6б). Кроме того, следует отметить, что для выполнения третьего шага не потребовалось вычислять градиент, что экономит время при численной оптимизации.

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.

Метод релаксации

Алгоритм метода заключается в отыскании осевого направления, вдоль которого целевая функция уменьшается наиболее сильно (при поиске минимума). Рассмотрим задачу безусловной оптимизации

Для определения осевого направления в начальной точке поиска из области определяются производные , , по всем независимым переменным. Осевому направлению соответствует наибольшая по модулю производная .

Пусть – осевое направление, т.е. .

Если знак производной отрицательный, функция убывает в направлении оси, если положительный – в обратном направлении:

В точке вычисляют . По направлению убывания функции производится один шаг, определяется и в случае улучшения критерия шаги продолжаются до тех пор, пока не будет найдено минимальное значение по выбранному направлению. В этой точке вновь определяются производные по всем переменным, за исключением тех, по которой осуществляется спуск. Снова находится осевое направление наиболее быстрого убывания , по которому производятся дальнейшие шаги и т.д.

Эту процедуру повторяют до тех пор, пока не достигается оптимальная точка, при движении из которой по любому осевому направлению дальнейшего убывания не происходит. На практике критерием окончания поиска служит условие

которое при превращается в точное условие равенства нулю производных в точке экстремума. Естественно условие (3.7) может быть использовано только в том случае, если оптимум лежит внутри допустимой области изменения независимых переменных . Если же оптимум попадает на границу области , критерий типа (3.7) непригоден и вместо него следует применять положительности всех производных по допустимым осевым направлениям.

Алгоритм спуска для выбранного осевого направления может быть записан так

(3.8)

где -значение варьируемой переменной на каждом шаге спуска;

Величина k+1 шага, которая может изменяться в зависимости от номера шага:

– функция знака z;

Вектор точки, в которой последний раз производилось вычисление производных ;

Знак “+” в алгоритме (3.8) принимается при поиске max I, а знак “-” – при поиске min I.Чем меньше шаг h., тем больше количество вычислений на пути движения к оптимуму. Но при слишком большой величине h вблизи оптимума может возникнуть зацикливание процесса поиска. Вблизи оптимума необходимо, чтобы выполнялось условие h

Простейший алгоритм изменения шага h состоит в следующем. В начале спуска задается шаг , равный например, 10% от диапазона d; изменения с этим шагом производится спуск по выбранному направлению до тез пор, пока выполняется условие для двух последующих вычислений

При нарушении условия на каком-либо шаге направление спуска на оси изменяется на обратное и спуск продолжается из последней точки с уменьшенной вдвое величиной шага.

Формальная запись этого алгоритма следующая:

(3.9)

В результате использования такой стратегии ша спуска будет уменьшатся в районе оптимума по данному направлению и поиск по направлению можно прекратить, когда станет меньше E.

Затем отыскивается новое осевое направление начальный шаг для дальнейшего спуска, обычно меньший пройденного вдоль предыдущего осевого направления. Характер движения в оптимуме в данном методе показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.5 – Траектория движения к оптимуму в методе релаксации

Улучшение алгоритма поиска по данному методу может быть достигнуто путем применения методов однопараметрической оптимизации. При этом может быть предложена схема решения задачи:

Шаг 1. – осевое направление,

; , если ;

Шаг 2. – новое осевое направление;

Метод градиента

В этом методе используется градиент функции . Градиентом функции в точке называется вектор, проекциями которого на координатные оси являются частные производные функции по координатам (рис. 6.5)

Рисунок 3.6 – Градиент функции

.

Направление градиента – это направление наиболее быстрого возрастания функции (наиболее крутого “склона” поверхности отклика). Противоположное ему направление (направление антиградиента) – это направление наибыстрейшего убывания (направление наискорейшего “спуска” величин ).

Проекция градиента на плоскость переменных перпендикулярна касательной к линии уровня , т.е. градиент ортогонален к линиям постоянного уровня целевой функции (рис. 3.6).

Рисунок 3.7 – Траектория движения к оптимуму в методе

градиента

В отличие от метода релаксации в методе градиента шаги совершаются в направлении наибыстрейшего уменьшения (увеличения) функции .

Поиск оптимума производится в два этапа. На первом этапе находятся значения частных производных по всем переменным , которые определяют направление градиента в рассматриваемой точке. На втором этапе осуществляется шаг в направлении градиента при поиске максимума или в противоположном направлении – при поиске минимума.

Если аналитическое выражение неизвестно, то направление градиента определяется поиском на объекте пробных движений. Пусть начальная точка. Дается приращение величина , при этом . Определяют приращение и производную

Аналогично определяют производные по остальным переменным. После нахождения составляющих градиента пробные движения прекращаются и начинаются рабочие шаги по выбранному направлению. Причем величина шага тем больше, чем больше абсолютная величина вектора .

При выполнении шага одновременно изменяются значения всех независимых переменных. Каждая из них получает приращение, пропорциональное соответствующей составляющей градиента

, (3.10)

или в векторной форме

, (3.11)

где – положительная константа;

“+” – при поиске max I;

“-” – при поиске min I.

Алгоритм градиентного поиска при нормировании градиента (деление на модуль) применяется в виде

; (3.12)

(3.13)

Определяет величину шага по направлению градиента.

Алгоритм (3.10) обладает тем достоинством, что при приближении к оптимуму длина шага автоматически уменьшается. А при алгоритме (3.12) стратегию изменения можно строить независимо от абсолютной величины коэффициента.

В методе градиента каждый разделяется один рабочий шаг, после которого вновь вычисляются производные, определяется новое направление градиента и процесс поиска продолжается (рис. 3.5).

Если размер шага выбран слишком малым, то движение к оптимуму будет слишком долгим из-за необходимости вычисления в очень многих точках. Если же шаг выбран слишком большим, в район оптимума может возникнуть зацикливание.

Процесс поиска продолжается до тех пор, пока , , не станут близки к нулю или пока не будет достигнута граница области задания переменных.

В алгоритме с автоматическим уточнением шага величину уточняют так, чтобы изменение направления градиента в соседних точках и

Критерии окончания поиска оптимума:

; (3.16)

; (3.17)

где – норма вектора.

Поиск завершается при выполнении одного из условий (3.14) – (3.17).

Недостатком градиентного поиска (так же и рассмотренных выше методов) является то, что при его использовании можно обнаружить только локальный экстремум функции . Для отыскания других локальных экстремумов необходимо производить поиск из других начальных точек.