最优化问题的算法迭代格式

最优化问题——梯度下降法1、⽆约束最优化问题求解此问题的⽅法⽅法分为两⼤类：最优条件法和迭代法。

2、最优条件法我们常常就是通过这个必要条件去求取可能的极⼩值点，再验证这些点是否真的是极⼩值点。

当上式⽅程可以求解的时候，⽆约束最优化问题基本就解决了。

实际中，这个⽅程往往难以求解。

这就引出了第⼆⼤类⽅法：迭代法。

最优条件法：最⼩⼆乘估计3、迭代法（1）梯度下降法（gradient descent），⼜称最速下降法（steepest descent）梯度下降法是求解⽆约束最优化问题的⼀种最常⽤的⽅法。

梯度下降法是迭代算法，每⼀步需要求解⽬标函数的梯度向量。

必备条件：函数f(x)必须可微，也就是说函数f(x)的梯度必须存在优点：实现简单缺点：最速下降法是⼀阶收敛的，往往需要多次迭代才能接近问题最优解。

算法A.1（梯度下降法）输⼊：⽬标函数f(x)，梯度函数g(x)=▽f(x)，计算精度ε；输出：f(x)的极⼩点x*总结：选取适当的初值x(0),不断迭代，更新x的值，进⾏⽬标函数的极⼩化，直到收敛。

由于负梯度⽅向是使函数值下降最快的⽅向，在迭代的每⼀步，以负梯度⽅向更新x的值，从⽽达到减少函数值的⽬的。

λk叫步长或者学习率；梯度⽅向g k=g(x(k)）是x=x(k)时⽬标函数f(x)的⼀阶微分值。

学习率/步长λ的确定：当f(x)的形式确定，我们可以通过求解这个⼀元⽅程来获得迭代步长λ。

当此⽅程形式复杂，解析解不存在，我们就需要使⽤“⼀维搜索”来求解λ了。

⼀维搜索是⼀些数值⽅法，有0.618法、Fibonacci法、抛物线法等等，这⾥不详细解释了。

在实际使⽤中，为了简便，也可以使⽤⼀个预定义的常数⽽不⽤⼀维搜索来确定步长λ。

这时步长的选择往往根据经验或者通过试算来确定。

步长过⼩则收敛慢，步长过⼤可能震荡⽽不收敛。

如下图：当⽬标函数是凸函数时，梯度下降法的解是全局最优解。

但是，⼀般情况下，往往不是凸函数，所以其解不保证是全局最优解。

交替方向法求解最优化问题
交替方向法（Alternating Direction Method, 简称ADM）是一种用于求解优化问题的迭代算法。

它主要用于求解具有约束条件的优化问题，特别是线性或凸优化问题。

ADM算法的基本思路是将原始问题转化为一系列子问题，然后通过迭代交替地求解这些子问题，直到收敛到最优解。

具体来说，ADM算法的迭代过程如下：
1. 初始化原始问题的变量。

2. 迭代求解子问题1：固定其他变量，只优化其中一个变量。

3. 迭代求解子问题2：固定其他变量，只优化另一个变量。

4. 重复步骤2和步骤3直到收敛。

ADM算法的收敛性在一些条件下是保证的，尤其是对于凸优化问题。

需要注意的是，ADM算法对于特定的优化问题可能需要设计不同的子问题求解方法。

因此，在具体应用中，需要根据问题的特点和要求进行算法的设计和实现。

总之，交替方向法是一种求解最优化问题的迭代算法，其基本
思路是交替迭代求解问题的子问题，通过优化不同的变量来逼近最优解。

《最优化方法》课程设计题目：BFGS算法分析与实现院系：数学与计算科学学院专业：统计学姓名学号：左想 **********指导教师：***日期： 2014 年 01 月 22 日摘要在求解无约束最优化问题的众多算法中,拟牛顿法是颇受欢迎的一类算法。

尤其是用于求解中小规模问题时该类算法具有较好的数值效果。

BFGS 算法被认为是数值效果最好的拟牛顿法，其收敛理论的研究也取得了很好的成果. 在一定的条件下，BFGS 算法具有全局收敛性和超线性收敛速度。

然而，对于大规模最优化问题来求解，包括 BFGS 算法在内拟牛顿法具有明显的缺陷。

有许多的例子表明，一旦处理问题很大时，一些对小规模问题非常成功的算法变得毫无吸引力。

究其原因，主要是由于在中小型问题一些不太重要的因素在求解大规模问题时，变得代价很高。

随着速度更快及更复杂的计算机的出现，增强了我们的计算处理能力。

同时也为我们设计算法带来了新的课题。

并行计算机的发展为求解大规模最优化问题提供了一条新途径。

关键词：BFGS 拟牛顿法；无约束最优化问题；大规模问题AbstractQuasi-Newton methods are welcome numerical methods for solving optimization problems. They are particularly effective when applied to solve small or middle size problems. BFGS method is regarded as the most effective quasi-Newton method due toits good numerical perfor mance. It also possesses very good global and superlinear con vergen ceproperties. On the other hand, however, when applied to solve larg escaleproblems, quasi-Newton methods including BFGS method don ot perform well. Themajor drawback for a quasi-Newton method, when used to solve large scaleoptimization problem, is that the matrix gener ated by the method does not retain thesparsity of the Hessian matrix of the objective function. There are examples showing that many success methods for solving small-sized optimization become unattractive once the problem to be tackled is large. An important reason for thisfeature is that some process that is important for small problems may become veryexpensive for large scale problems.The fast development of computer has enhanced our ability to solve large scaleproblems. In particular, the parallel computer provides us a new way to solve largescale problems efficiently. In recent years, there has been growing interest in the studyin parallel methods. It has been found that many good methods that are efficient forsolving small and middle size problems can be parallized.Key Words: BFGS quasi-Newton method; unconstrained optimization problem, large scale problem目录1、引言 ........................................................................................ 错误!未定义书签。

牛顿法牛顿法作为求解非线性方程的一种经典的迭代方法，它的收敛速度快，有内在函数可以直接使用。

结合着matlab 可以对其进行应用，求解方程。

牛顿迭代法（Newton Newton’’s s method method ）又称为牛顿-拉夫逊方法（Newton-Raphson method ）,它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法,其基本思想是利用目标函数的二次Taylor 展开，并将其极小化。

牛顿法使用函数()f x 的泰勒级数的前面几项来寻找方程()0f x =的根。

牛顿法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程()0f x =的单根附近具有平方收敛，而且该法还可以用来求方程的重根、复根，此时非线性收敛，但是可通过一些方法变成线性收敛。

收敛。

牛顿法的几何解释：牛顿法的几何解释：方程()0f x =的根*x 可解释为曲线()y f x =与x 轴的焦点的横坐标。

如下图：轴的焦点的横坐标。

如下图：设k x 是根*x 的某个近似值，过曲线()y f x =上横坐标为k x 的点k P 引切线，并将该切线与x 轴的交点轴的交点 的横坐标1k x +作为*x 的新的近似值。

鉴于这种几何背景，牛顿法亦称为切线法。

牛顿法亦称为切线法。

2 牛顿迭代公式：（1）最速下降法：x-d gk k×Gg sks×GGd 101x x x -（1）令k k G v I k G -=+，其中：，其中：0k v =，如果k G 正定；0,k v >否则。

否则。

（2）计算_k G 的Cholesky 分解，_T k k k k G L D L =。

（3）解_k k G d g =-得k d 。

（4）令1k k k x x d +=+牛顿法的优点是收敛快，缺点一是每步迭代要计算()()'k k f x f x 及，计算量较大且有时()'k fx 计算较困难，二是初始近似值0x 只在根*x附近才能保证收敛，如0x 给的不合适可能不收敛。

第九章经典最优化方法9.1 最优化的基本概念最优化方法是一门古老而又年青的学科。

这门学科的源头可以追溯到17世纪法国数学家拉格朗日关于一个函数在一组等式约束条件下的极值问题（求解多元函数极值的Lagrange乘数法）。

19世纪柯西引入了最速下降法求解非线性规划问题。

直到20世纪三、四十年代最优化理论的研究才出现了重大进展，1939年前苏联的康托洛维奇提出了解决产品下料和运输问题的线性规划方法；1947年美国的丹奇格提出了求解线性规划的单纯形法，极大地推动了线性规划理论的发展。

非线性规划理论的开创性工作是在1951年由库恩和塔克完成的，他们给出了非线性规划的最优性条件。

随着计算机技术的发展，各种最优化算法应运而生。

比较著名的有DFP和BFGS无约束变尺度法、HP广义乘子法和WHP约束变尺度法。

最优化问题本质是一个求极值问题，几乎所有类型的优化问题都可概括为如下模型：给定一个集合（可行集）和该集合上的一个函数（目标函数），要计算此函数在集合上的极值。

通常，人们按照可行集的性质对优化问题分类：如果可行集中的元素是有限的，则归结为“组合优化”或“网络规划”，如图论中最短路、最小费用最大流等；如果可行集是有限维空间中的一个连续子集，则归结为“线性或非线性规划”；如果可行集中的元素是依赖时间的决策序列，则归结为“动态规划”；如果可行集是无穷维空间中的连续子集，则归结为“最优控制”。

线性规划与非线性规划是最优化方法中最基本、最重要的两类问题。

一般来说，各优化分支有其相应的应用领域。

线性规划、网络规划、动态规划通常用于管理与决策科学；最优控制常用于控制工程；非线性规划更多地用于工程优化设计。

前面提到的算法是最优化的基本方法，它们简单易行，对于性态优良的一般函数，优化效果较好。

但这些经典的方法是以传统微积分为基础的，不可避免地带有某种局限性，主要表现为：①大多数传统优化方法仅能计算目标函数的局部最优点，不能保证找到全局最优解。