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非线性共轭梯度法
（Nonlinear Conjugate Gradient Method）
非线性共轭梯度法是一种基于梯度的迭代优化方法，用于求解无约束最优化问题，即求解目标函数f(x)的最小值。
它可以用来求解深度神经网络中参数的最优化。
非线性共轭梯度法的基本思想是利用梯度下降法的思路，但是在每次迭代时都会调整步长，使得每次迭代可以尽可能地朝着最优解方向前进。
该方法有两个重要特征：1）步长调整。
2）共轭梯度（CG）。
步长调整：在每次迭代中，搜索方向不仅可以与梯度方向一样，而且也可以与之前的搜索方向有一定的关系。
通过调整步长，可以把搜索方向调整到最优方向，从而更快地收敛到最优解。
共轭梯度：对于多维的优化问题，搜索空间是一个高维空间，如果每次都沿着梯度方向搜索，就容易陷入局部最优解。
为了避免这种情况，非线性共轭梯度法引入了共轭搜索方向，即在每次迭代中，新的搜索方向都与上一次的搜索方向有一定的关系。
这样做的好处是，在不断地迭代中，法线方向也可以被搜索到，从而可以跳出局部最优解，有效地收敛到全局最优解。
一、共轭梯度法共轭梯度法（Conjugate Gradient）是共轭方向法的一种，因为在该方向法中每一个共轭向量都是依靠赖于迭代点处的负梯度而构造出来的，所以称为共轭梯度法。
由于此法最先由Fletcher和Reeves （1964）提出了解非线性最优化问题的，因而又称为FR 共轭梯度法。
由于共轭梯度法不需要矩阵存储，且有较快的收敛速度和二次终止性等优点，现在共轭梯度法已经广泛地应用于实际问题中。
共轭梯度法是一个典型的共轭方向法，它的每一个搜索方向是互相共轭的，而这些搜索方向d仅仅是负梯度方向与上一次迭代的搜索方向的组合，因此，存储量少，计算方便，效果好。
二、共轭梯度法的原理设有目标函数f（X）=1/2X T HX+b T X+c 式1 式中，H作为f（X）的二阶导数矩阵，b为常数矢量，b=[b1,b2,b3,...b n]T 在第k次迭代计算中，从点X（k）出发，沿负梯度方向作一维搜索，得S(K)=-∆f（X（k））式2 X(k+1)=X(k)+ɑ(k)S(k) 式3在式中，ɑ（k）为最优步长。
设与S(k）共轭的下一个方向S(k+1)由点S(k）和点X(k+1)负梯度的线性组合构，即S (k+1)=-∆f （X （k+1））+β(k)S (k) 式4 根据共轭的条件有[S (k)]T ∆2f （X (k)）S (k+1)=0 式5 把式2和式4带入式5，得-[∆f(X (k))]T ∆2f （X (k)）[-∆f （X （k+1））+β(k)S (k) ]=0 式6 对于式1，则在点X (k)和点X (k+1)的梯度可写为∆f(X (k))=HX (k)+b 式7 ∆f （X （k+1）)=HX (k+1)+b 式8 把上面两式相减并将式3代入得ɑ(k)H S (k)=∆f （X （k+1）)-∆f(X (k)) 式9 将式4和式9两边分别相乘，并代入式5得-[∆f （X （k+1）)+β(k)∆f(X (k))]T [∆f （X （k+1）)-∆f(X (k)]=0 式10 将式10展开，并注意到相邻两点梯度间的正交关系，整理后得 β（k ）=22||))((||||))1((||k X f k X f ∆+∆ 式11把式11代入式4和式3，得 S （k+1）=-∆f （X (k)）+β（k ）S （k ）X (k+1)=X （k ）+ɑ（k ）S （k ）由上可见，只要利用相邻两点的梯度就可以构造一个共轭方向。
最速下降法1.最速下降方向函数f(x)在点x处沿方向d的变化率可用方向导数来表示。
对于可微函数，方向导数等于梯度与方向的内积，即：Df(x;d) = ▽f(x)T d,因此，求函数f(x)在点x处的下降最快的方向，可归结为求解下列非线性规划：min ▽f(x)T ds.t. ||d|| ≤ 1当 d = -▽f(x) / ||▽f(x)||时等号成立。
因此，在点x处沿上式所定义的方向变化率最小，即负梯度方向为最速下降方向。
2.最速下降算法最速下降法的迭代公式是x(k+1) = x(k) + λk d(k) ,其中d(k)是从x(k)出发的搜索方向，这里取在x(k)处的最速下降方向，即d = -▽f(x(k)).λk是从x(k)出发沿方向d(k)进行一维搜索的步长，即λk满足f(x(k) + λk d(k)) = min f(x(k)+λd(k)) (λ≥0).计算步骤如下：(1)给定初点x(1) ∈ R n，允许误差ε> 0，置k = 1。
(2)计算搜索方向d = -▽f(x(k))。
(3)若||d(k)|| ≤ε，则停止计算；否则，从x(k)出发，沿d(k)进行一维搜索，求λk，使f(x(k) + λk d(k)) = min f(x(k)+λd(k)) (λ≥0).(4)令x(k+1) = x(k) + λk d(k)，置k = k + 1，转步骤(2)。
共轭梯度法1.共轭方向无约束问题最优化方法的核心问题是选择搜索方向。
以正定二次函数为例，来观察两个方向关于矩阵Ａ共轭的几何意义。
设有二次函数：f(x) = 1/2 (x - x*)T A(x - x*) ,其中A是n×n对称正定矩阵，x*是一个定点，函数f(x)的等值面1/2 (x - x*)T A(x - x*) = c是以x*为中心的椭球面，由于▽f(x*) = A(x - x*) = 0，A正定，因此x*是f(x)的极小点。
统计学梯度下降法（SGDs）易于实现，然而它有两个主要的缺陷。
第一个缺陷是它需要手动调谐大量的参数，比如学习速率和收敛准则。
第二个缺陷是它本质上是序列方法，不利于并行计算或分布式计算。
（然而，在计算资源如RAM受限的情况下，序列方法倒是一个不错的选择。
）这里介绍一些非线性优化算法：牛顿算法，伪牛顿算法和共轭梯度法。
其中，伪牛顿算法包括DFP、BFGS和L-BFGS算法。
考虑如下的无约束最小化问题：min x f(x)（1）其中x=(x1,…,x N)T∈ℝN. 为简便起见，这里假设f是凸函数，且二阶连续可导。
记（1）的解为x∗.牛顿算法（Newton‘s Method）基本思想：在现有的极小点估计值的附近对f(x)做二阶泰勒展开，进而找到下其中g(k)=∇f(x)|x(k)是梯度矩阵，H(k)=∇2f(x)|x(k)是海森矩阵。
牛顿算法是一种具有二次收敛性的算法。
对于非二次函数，若函数的二次性态较强，或迭代点已进入极小点的领域，则其收敛速度也是很快的，这是牛顿算法的主要优点。
但牛顿算法由于迭代公式中没有步长因子，而是定步长迭代，所以对于非二次函数，有时会出现f(x(k+1))>f(x(k))的情况，这表明牛顿算法不能保证函数值稳定地下降。
由此，人们提出了阻尼牛顿算法，在原始牛顿算法的第4步中，采用一维搜索（line search）算法给d(k)加一个步长因子λ(k)，其中：λ(k)=arg minλ∈ℝf(x(k)+λd(k))（2）一维搜索算法将另作介绍。
拟牛顿算法（Quasi-Newton Methods）基本思想：不直接计算二阶偏导数，而是构造出近似海森矩阵（或海森矩阵的逆）的正定对称阵，在拟牛顿条件下优化目标函数。
下文中，用B表示对H的近似，用D表示对H−1的近似，并令s(k)=x(k+1)−x(k)，y(k)=g(k+1)−g(k).⒈拟牛顿条件（割线条件）对f(x)做二阶泰勒展开可得：y(k)≈H(k+1)×s(k)（3）或s(k)≈(H(k+1))−1×y(k)（4）⒉DFP算法核心：通过迭代的方法，对(H(k+1))−1做近似。
垫墼兰￡望叁兰堑圭兰垒篁塞１第一章预备知识§１．１共轭梯度方法§１．１．１引言共轭梯度法足最优化中最常用的方法之一。
它具有算法简便，存储需求小等优点，十分适合于大规模优化问题．在石油勘探，大气模拟，航天航空等领域出现的特大规模的优化问题是常常利用共轭梯度法求解。
在所有需要计算导数的优化方法中，最速下降是最简单的，但它速度太慢。
拟牛顿方法收敛速度很快，被广泛认为是非线性规划的最有效的方法。
但拟牛顿法需要存储矩阵以及通过求解线性方程组来计算搜索方向，这对于求解诸如上述问题等一些大规模问题几乎是不太可能办到的，共轭梯度法在算法的简便性，所需存储量等方面均与最速下降法差别不大，而收敛速度比最速下降法要快。
非线性共轭梯度法的收敛性分析的早期工作主要由Ｆｌｅｔｃｈｅｒ，Ｐｏｗｅｌｌ，Ｂｅａｌｅ等学者给出的，近年来，Ｎｏｃｅｄａｌ，Ｇｉｌｂｅｒｔ，Ｎａｚａｒｅｔｈ等学者在收敛性方面得到了不少的结果，使得共轭梯度法的研究由又热了起来．我国的学者也在共轭梯度法的理论研究中也取得了一定的成绩。
例如中科院应用数学所的韩继业，戴口等．§１．１．２共轭方向法共轭梯度法最本质的是共轭性质，共轭性是正交的一种推广。
定义１．１．２．１：设Ｗ∈咿×ｎ对称正定，ｄｌ，ｄ２，…，ｄ。
是咿中的一组非零向量，如果盯Ａｄｊ＝０，（ｉ≠Ｊ）．（１．１）则称ｄ１，ｄ２，…，ｄ。
是相互Ａ一共轭。
显然可见，如果ｄｌ，ｄ２，…，ｄ。
相互Ａ一共轭，则它们是线性无关的。
设Ｊ是单位阵则知，一共轭就是正交。
一般共轭方向法步骤如下：算法１．１．２．１：（一般共轭方向法）给出∞＋的初始点Ｘｌ，步ｌ：计算ｇｌ＝ｇ（Ｘ１）．步２：计算ｄｌ，使（ｆ｛’９ｌ＜０．步３：令女＝１．步４：计算口ｋ和Ｘｋ＋１，使得ｆ（ｘｋ－Ｆ‘１ｋｄｋ）。
Ｉ。
ｊ１１，‰十“呶），Ｘｋ＋１＝Ｘｋ＋ｖ。
ｋｄｋ．步５：计算以＋ｌ使得ｄ矗１Ｇｄｊ＝０，Ｊ＝１，２，…ｋ．步６：令ｋ：＝ｋ＋１，转步４．共轭方向法的一个基本性质是：只要执行精确线性搜索，就能得到二次终止性，这就足下面的共轭方向法基本定理。
共轭梯度法在优化问题中的应用共轭梯度法是一种高效的优化算法，在许多优化问题中都得到了广泛的应用。
它是一种迭代方法，用于解决最小化二次函数的优化问题。
在本文中，我将介绍共轭梯度法的原理和算法，并探讨它在优化问题中的应用。
一、共轭梯度法的原理共轭梯度法的核心思想是通过迭代的方式，找到一个与之前迭代步骤方向相互垂直的搜索方向，以加快收敛速度。
在每一次迭代中，共轭梯度法根据当前的搜索方向更新搜索点，直到找到最优解或达到预定的收敛标准。
具体来说，共轭梯度法从一个初始搜索点开始，计算对应的梯度，并沿着负梯度方向进行搜索。
通过一定的方法找到一个与之前搜索方向相互垂直的新搜索方向，并以一定步长更新搜索点。
迭代过程将重复进行，直到满足收敛标准或达到最大迭代次数。
二、共轭梯度法的算法共轭梯度法的算法包括以下几个步骤：1. 初始化搜索点x0和梯度g0，设置迭代次数k=0。
2. 计算当前搜索方向d_k=-g_k（k为当前迭代次数）。
3. 通过一维搜索方法找到最佳步长α_k。
4. 更新搜索点x_k+1 = x_k + α_k * d_k。
5. 计算更新后的梯度g_k+1。
6. 判断是否满足收敛标准，若满足则算法停止，否则转到步骤7。
7. 计算新的搜索方向β_k+1。
8. 将迭代次数k更新为k+1，转到步骤3。
这个算法保证了每一次迭代中的搜索方向都是彼此相互垂直的，从而加快了收敛速度。
三、共轭梯度法的应用共轭梯度法在优化问题中有广泛的应用，特别是在二次规划、线性规划和非线性规划等领域。
在二次规划问题中，共轭梯度法可以高效地求解线性系统Ax=b，其中A是一个对称正定的矩阵。
由于共轭梯度法的特性，它只需要进行n 次迭代，其中n是问题的维度，就能得到精确的解。
这使得共轭梯度法在大规模线性系统求解中具有重要的应用价值。
在线性规划问题中，共轭梯度法可以用于求解带有线性约束的最小二乘问题。
共轭梯度法通过将线性约束转化为一系列的正交子空间，从而在求解最小二乘问题时能够更快地收敛。
共轭梯度法总结
共轭梯度法总结
一、什么是共轭梯度法
共轭梯度法（Conjugate Gradient Method），是一种用于求解线性方程组的迭代优化算法，它是一种搜索梯度的迭代算法。
共轭梯度法的基本思想是沿梯度的反方向搜索，并在每一步令搜索的方向接近更新的局部梯度。
它是一种非常有效的求解有约束的非线性优化问题的方法，是求解线性方程组的有效算法。
共轭梯度法可以看作是一种极小化函数的迭代方法，它最主要的思想是不断更新梯度的方向，从而寻找函数值最小的点。
二、共轭梯度法的原理
共轭梯度法是一种迭代优化算法，它以凸二次型函数为例，可以用来求解最小值问题。
它的基本思想是：
（1）首先求得函数的梯度，即每一步优化的搜索方向，使梯度变为最小；
（2）以梯度的反方向搜索，令搜索的方向接近更新的局部梯度，而不是与旧的梯度成正比的步长；
（3）逐步更新搜索的方向为新的梯度；
（4）重复这个过程，直到所有的自变量满足限制条件。
三、共轭梯度法的优缺点
共轭梯度法最大的优点是它具有收敛速度快，可以在有限的迭代步数内收敛到最优解；另外，它还具有计算量小，不需要计算精确的
Hessian矩阵的优点。
共轭梯度法的缺点是它不能用来求解非凸优化问题，因为它只能求解凸优化问题；另外，它也不能用于强不可约的优化问题。
非线性共轭梯度法的文献综述研究摘要：共轭梯度法最早是由Hestenes 和Stiefel 于1952年提出来的，用于解正定系数矩阵的线性方程组，在这个基础上，Fletcher 和Reeves 于1964年首先提出了解非线性最优化问题的共轭梯度法。
由于共轭梯度法不需要矩阵存储，且有较快的收敛速度和二次终止性等优点，于是，共轭梯度法的理论研究受到了人们的关注，现在共轭梯度法已经广泛地应用与实际问题中。
关键词：共轭梯度法，非线性最优化，线性搜索，收敛性1.共轭梯度法共轭梯度法最早是由计算数学家Hestenes 和几何学家Stiefel 在20世纪50年代初为求解线性方程组,n Ax b x R =∈而独立提出的。
他们奠定了共轭梯度法的基础，他们的文章详细讨论了求解线性方程组的共轭梯度法的性质以及它和其他方法的关系。
当A 对称正定时，上述线性方程组等价于最优化问题1min 2n T Tx R x Ax b x ∈-基于此，Hestenes 和Stiefel 的方法可视为求解二次函数极小值的共轭梯度法。
1964年，Fletcher 和Reevse 将此方法推广到非线性优化，得到了求一般函数极小值的共轭梯度法。
而本书中，戴彧虹和袁亚湘介绍了多种类型的共轭梯度法，各方法的区分主要在于每次迭代的方向上，并且他们检验了每种方法在不同搜索下的全局收敛性。
在他们的研究中，目标函数连续可微有下界，导数满足Lipschitz 条件，他们通过对Zoutendijk 条件的判断，通常用反证的方法来考察全局各共轭梯度法的全局收敛性问题。
对于无约束优化问题min ()nx Rf x ∈一般给出一初值1x ，经由算法迭代产生23,,x x 。
在第k 次迭代，当前迭代点为kx ，用一种方法产生一搜索方向nk d R ∈。
然后下一迭代点为：1k k k kx x d α+=+其中，迭代方向kd 的不同选取产生了不同的共轭梯度法，kα为步长因子，步长的不同选取产生了不同的搜索准则。
求解无约束优化问题及非线性方程组的共轭梯度法求解无约束优化问题及非线性方程组的共轭梯度法一、引言无约束优化问题和非线性方程组是数学和工程领域中常见的问题。
它们的解决对于优化模型的求解以及工程实际问题的解决具有重要意义。
本文将介绍一种常用的求解无约束优化问题和非线性方程组的方法——共轭梯度法，包括算法原理、步骤和性能分析等。
二、共轭梯度法的算法原理共轭梯度法是一种迭代法，它通过计算一系列共轭方向，逐步接近于最优解。
具体而言，共轭梯度法的算法原理如下：（1）初始化。
选择一个起始值x0，设置迭代精度ε，取初始共轭方向d0=g0=-∇f(x0)，其中g0为梯度的初始值。
（2）迭代过程。
从k=1开始，根据共轭方向的性质，可以得到更新公式xk=xk-1+αkdk，其中αk为步长，dk为共轭方向。
通过下面的迭代公式可以计算共轭方向dk：di=(-gi)+βidi-1βi=(gi，gi)/(gi-1，gi-1)其中gi为第i次迭代的梯度。
（3）收敛判断。
如果满足||gk||<ε，则停止迭代计算，得到近似解。
否则，继续迭代。
三、共轭梯度法的步骤根据共轭梯度法的算法原理，可以得到具体的步骤如下：（1）初始化。
选择起始点x0，设置迭代精度ε，取初始共轭方向d0=g0=-∇f(x0)，其中g0为梯度的初始值。
（2）循环迭代。
从k=1开始，计算步长αk，更新公式xk=xk-1+αkdk，计算新的梯度gk，计算共轭方向dk。
（3）收敛判断。
如果满足||gk||<ε，则停止迭代。
（4）输出结果。
输出近似解xk。
四、共轭梯度法的性能分析共轭梯度法在求解无约束优化问题和非线性方程组时具有一些优良的性能特点：（1）收敛性。
共轭梯度法在理想情况下可以在n步内达到最优解，其中n为问题的维度。
（2）存储要求小。
共轭梯度法只需要存储上一次迭代的结果，存储量较小。
（3）不需要二阶导数信息。
与牛顿法等方法相比，共轭梯度法不需要二阶导数信息，计算速度更快。
共轭梯度法简介共轭梯度法是一种迭代的最优化算法，用于求解线性方程组或求解非线性优化问题。
它在解决大规模线性方程组时表现出色，尤其适用于对称正定矩阵的问题。
共轭梯度法结合了最速下降法和共轭方向法的优点，能够在有限次数的迭代中快速收敛到最优解。
背景在数值计算和优化问题中，线性方程组的求解是一个常见且重要的问题。
例如，在图像处理、数据分析和机器学习等领域，我们经常需要求解一个大规模的线性方程组。
然而，传统的直接方法，如高斯消元法或LU分解，对于大规模问题往往计算量巨大，耗时较长。
因此，我们需要寻找一种高效的迭代方法来解决这些问题。
共轭梯度法的核心思想是通过一系列共轭的搜索方向来逼近最优解。
具体来说，对于一个对称正定的线性方程组Ax=b，共轭梯度法的步骤如下：1.初始化解向量x0和残差x0=x−xx0。
2.计算初始搜索方向x0=x0。
3.进行共轭梯度迭代：重复以下步骤n次或直到收敛为止。
a.计算步长$\\alpha_k=\\frac{r_k^Tr_k}{d_k^TAd_k}$。
b.更新解向量$x_{k+1}=x_k+\\alpha_kd_k$。
c.更新残差$r_{k+1}=r_k-\\alpha_kAd_k$。
d.计算新的搜索方向$d_{k+1}=r_{k+1}+\\frac{r_{k+1}^Tr_{k+1}}{r_k^Tr_k}d_k$。
共轭梯度法与其他迭代方法相比有以下特点：1.高效性：共轭梯度法能够在有限次数的迭代中收敛到最优解，尤其适用于对称正定矩阵。
相比于直接方法，其计算量较小，具有更高的计算效率。
2.无需存储完整矩阵：共轭梯度法只需知道矩阵A的乘法运算结果，不需要存储完整的矩阵。
这对于大规模问题是一个很大的优势。
3.不需要计算矩阵的特征值：相比于其他迭代方法，共轭梯度法不需要计算矩阵的特征值，因此在实际问题中更加实用。
算法应用共轭梯度法广泛应用于各个领域的优化问题和线性方程组求解问题，包括：1.图像处理：共轭梯度法用于图像恢复、图像去噪和图像分割等问题。
又称共轭斜量法，是解线性代数方程组和非线性方程组的一种数值方法，例如对线性代数方程组A尣＝ƒ, (1)式中A为n阶矩阵，尣和ƒ为n维列向量,当A对称正定时,可以证明求(1)的解尣*和求二次泛函(2)的极小值问题是等价的。
此处(尣,у)表示向量尣和у的内积。
由此，给定了初始向量尣，按某一方向去求(2)取极小值的点尣,就得到下一个迭代值尣,再由尣出发，求尣等等，这样来逼近尣*。
若取求极小值的方向为F在尣(k＝1,2,…)处的负梯度方向就是所谓最速下降法，然而理论和实际计算表明这个方法的收敛速度较慢，共轭梯度法则是在尣处的梯度方向r和这一步的修正方向p所构成的二维平面内，寻找使F减小最快的方向作为下一步的修正方向,即求极小值的方向p（其第一步仍取负梯度方向）。
计算公式为再逐次计算(k=1,2,…)。
可以证明当i≠j时，从而p,p形成一共轭向量组;r,r,…形成一正交向量组。
后者说明若没有舍入误差的话，至多n次迭代就可得到(1)的精确解。
然而在实际计算中,一般都有舍入误差，所以r,r,…并不真正互相正交，而尣尣,…等也只是逐步逼近(1)的真解,故一般将共轭梯度法作为迭代法来使用。
近来在解方程组(1)时,常将共轭梯度法同其他一些迭代法结合作用。
特别是对病态方程组这种方法往往能收到比较显著的效果。
其方法是选取一对称正定矩阵 B并进行三角分解，得B=LL T。
将方程组(1)化为hу＝b, (3)此处y＝l T尣,b＝l-1ƒ,h＝l-1Al-T,而。
再对(3)用共轭梯度法，计算公式为(k=0,1,2,…)适当选取B，当B 很接近A时，h的条件数较之A大大减小,从而可使共轭梯度法的收敛速度大为加快，由一些迭代法的矩阵分裂A=M -N，可选取M 为这里的B，例如对称超松弛迭代(SSOR)，强隐式迭代(SIP)等,这类方法常称为广义共轭梯度法或预条件共轭梯度法，它也可用于解代数特征值问题。
势函数的一种二阶偏微分方程。
