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机械优化设计_第三章一维搜索方法一维方法是一种常用的优化方法，适用于在一个单变量的空间中寻找最优解或近似最优解的问题。
在机械优化设计中，一维方法可以用来寻找最佳的设计参数值，以优化机械系统的性能。
一维方法包括了多种常用的算法，如二分法、黄金分割法、斐波那契法等。
下面将介绍其中的二分法和黄金分割法这两种常用的一维方法。
二分法是一种简单而常用的方法，基本思想是不断将空间划分为两部分，直到找到最优解或接近最优解的区间。
具体步骤如下：1.初始化区间[a,b]，其中a和b分别是空间的下界和上界。
2.计算区间的中点x=(a+b)/23.根据目标函数的取值情况，确定最优解或接近最优解所在的子区间。
4.更新区间为[a,x]或[x,b]，继续步骤2和3，直到区间足够小或找到了最优解。
二分法的优点是简单易实现，但其收敛速度相对较慢，特别是对于空间为初值范围较大的问题。
黄金分割法是一种相对高效的一维方法，其基本思想是通过黄金分割点来确定区间的缩减比例。
具体步骤如下：1.初始化区间[a,b]，其中a和b分别是空间的下界和上界。
2.计算区间的两个黄金分割点，即x1=a+(1-φ)(b-a)和x2=a+φ(b-a)，其中φ是黄金分割比例，其取值约为0.6183.根据目标函数的取值情况，确定最优解或接近最优解所在的子区间。
4.更新区间为[x1,b]或[a,x2]，同时更新黄金分割点，继续步骤2和3，直到区间足够小或找到了最优解。
黄金分割法的优点是收敛速度相对较快，通常比二分法更有效。
然而，其实现相对复杂一些，需要额外的计算和判断步骤。
除了二分法和黄金分割法，还有其他一维方法，如斐波那契法、插值法等。
这些方法可以根据具体问题的特点选择适合的方法进行优化设计。
总结起来，一维方法是机械优化设计中常用的方法之一，用于在一个单变量的空间中寻找最优解或近似最优解的问题。
通过选择适当的方法，可以有效地优化机械系统的性能。
常用一维搜索算法常用一维算法一维算法是解决一维问题的常用方法。
一维算法主要通过在一维数据集中查找目标元素来解决问题。
以下是一些常用的一维算法：1. 线性（Linear Search）：线性算法是一种最简单的算法，也是最基本的一维算法。
它从头到尾依次检查数据集中的每个元素，直到找到目标元素或遍历完整个数据集。
线性算法的时间复杂度为O(n)。
2. 二分（Binary Search）：二分算法是一种高效的算法，但它要求数据集必须是有序的。
算法通过将数据集分成两半，并与目标元素进行比较，从而确定目标元素在哪个半部分中。
然后，它将重复这个过程，直到找到目标元素或数据集被划分为一个元素。
二分算法的时间复杂度为O(log n)。
3. 插值（Interpolation Search）：插值算法是改进的二分算法，它根据目标元素与数据集中元素的相对位置来确定的起始位置。
它使用目标元素与数据集首尾元素之间的比例来估计目标元素的位置。
插值算法在数据集分布均匀的情况下具有较好的性能。
4. 斐波那契（Fibonacci Search）：斐波那契算法基于斐波那契数列来确定的起始位置。
它通过比较目标元素与斐波那契数列中的元素来确定的范围，并将数据集划分成两部分。
然后，它在适当的部分中重复这个过程，直到找到目标元素。
斐波那契算法的时间复杂度为O(log n)。
5. 插入（Interpolation Search）：插入算法是一种改进的线性算法，它使用了数据集中元素的顺序信息来提高效率。
与线性算法一样，它从头到尾依次检查数据集中的每个元素，但是当元素不满足条件时，它会根据元素的顺序信息来确定的方向，从而减少的次数。
6. 哈希（Hash Search）：哈希算法使用哈希函数将数据集中的元素映射到哈希表中的索引。
然后，它通过查找哈希表中的索引来确定目标元素的位置。
哈希算法通常具有很高的效率，但是它需要额外的内存空间来存储哈希表。
上述算法是一维问题的常用解决方法。
§4.3 一维搜索方法一维搜索问题：目标函数为单变量的非线性规划问题，即)(min max00t t t t ϕ≤≤≥ （4.3.1）对t 的取值为0≥t 的（4.3.1）称为一维搜索问题，即 )(min 0t t ϕ≥ ；对t 的取值为max 0t t ≤≤的（4.3.1）称为有效一维搜索问题，即 )(minmax0t t t ϕ≤≤。
1、0.618法（近似黄金分割法）单谷函数：称函数)(t ϕ是区间],[b a 上的单谷函数，若存在 ],[*b a t ∈，使得)(t ϕ在],[*t a 上严格递减，且在],[*b t 上严格递增。
区间],[b a 称为)(t ϕ的单谷区间。
求解一维搜索问题的方法：先设法给出一个搜索区间],[b a ，然后通过迭代不断缩小搜索区间，当区间的长度充分小是，可取这个区间中的任一点作为一个近似极小点。
考虑问题)(min t bt a ϕ≤≤ （4.3.2）其中],[b a 是)(t ϕ的单谷区间， 下面将通过迭代不断缩小搜索区间， 获得)(t ϕ的唯一极小点 *t 的近似解。
在],[b a 内任取两点 21,t t ，设 21t t <，由于)(t ϕ是区间],[b a 上的单谷函数，所以有<1> 若)()(21t t ϕϕ≤，则 ],[2*t a t ∈；<2> 若)()(21t t ϕϕ≥，则 ],[1*b t t ∈。
证<1>：若],[2*t a t ∉，则 2*t t >，所以*21t t t a <<<，因为)(t ϕ在],[*t a 上严格递减，所以)()(21t t ϕϕ>，矛盾。
同理可证 <2>。
通过比较)(1t ϕ和)(2t ϕ的大小，可将搜索区间缩小为],[2t a 或],[1b t 。
不妨设为],[2t a ，则在],[2t a 只需另找一个点 2t '，比较 1t 和2t '的目标函数值，又可以进一步缩小搜索区间。
无约束优化：不对定义域或值域做任何限制的情况下，求解目标函数的最小值。
这是因为实际应用中，许多情形被抽象为函数形式后均为凸函数，对于凸函数来说局部最小值点即为全局最小值点，因此只要能求得这类函数的一个最小值点，该点一定为全局最小值。
（直接法：又称数值方法，它只需计算目标函数驻点的函数数值，而不是求其倒数，如坐标轮换法，单纯型法等。
间接法：又称解析法，是应用数学极值理论的解析方法。
首先计算出目标函数的一阶或一阶、二阶导数，然后根据梯度及海赛矩阵提供的信息，构造何种算法，从而间接地求出目标函数的最优解，如牛顿法、最速下降法共轭梯度法及变尺度法。
）在优化算法中保证整体收敛的重要方法就是线搜索法与信赖域法,这两种算法既相似又有所不同。
根据不同的线搜索准则就延伸出不同的线搜索算法,譬如比较常见和经典的最速下降法,牛顿法,拟牛顿法以及共辄梯度法等。
一维搜索又称线性搜索(Line Search),就是指单变量函数的最优化,它是多变量函数最优化的基础,是求解无约束非线性规划问题的基本方法之一。
一维搜索技术既可独立的用于求解单变量最优化问题,同时又是求解多变量最优化问题常用的手段,虽然求解单变量最优化问题相对比较简单,但其中也贯穿了求解最优化问题的基本思想。
由于一维搜索的使用频率较高,因此努力提高求解单变量问题算法的计算效率具有重要的实际意义。
在多变量函数的最优化中,迭代格式Xk+1=Xk+akdk其关键就是构造搜索方向dk和步长因子ak设Φ(a)=f(xk+adk)这样从凡出发,沿搜索方向dk,确定步长因子ak,使Φ(a)<Φ(0)的问题就是关于步长因子a的一维搜索问题。
其主要结构可作如下概括:首先确定包含问题最优解的搜索区间，然后采用某种分割技术或插值方法缩小这个区间，进行搜索求解。
一维搜索通常分为精确的和不精确的两类。
如果求得ak使目标函数沿方向dk达到极小,即使得f (xk+akdk)=minf(xk+adk) (a>0)则称这样的一维搜索为最优一维搜索,或精确一维搜索,ak叫最优步长因子;如果选取ak使目标函数f得到可接受的下降量,即使得下降量f(xk)一f(xk+akdk)>0是用户可接受的,则称这样的一维搜索为近似一维搜索,或不精确一维搜索,或可接受一维搜索。
