Градиентный метод с постоянным m. Обзор градиентных методов в задачах математической оптимизации

Градиентные методы оптимизации

Задачи оптимизации с нелинейными или трудно вычислимыми соотноше­ниями, определяющими критерий оптимизации и ограничения, являются предметом нелинейного программирования. Как правило, решения задач не­линейного программирования могут быть найдены лишь численными мето­дами с применением вычислительной техники. Среди них наиболее часто пользуются градиентными методами (методы релаксации, градиента, наиско­рейшего спуска и восхождения), безградиентными методами детерминиро­ванного поиска (методы сканирования, симплексный и др.), методами случай­ного поиска. Все эти методы применяются при численном определении опти-мумов и достаточно широко освещены в специальной литературе.

В общем случае значение критерия оптимизации R может рассматри­ваться как функция R (х ь хь ..., х п), определенная в л-мерном пространстве. Поскольку не существует наглядного графического изображения я-мерного пространства, воспользуемся случаем двумерного пространства.

Если R (л ь х 2) непрерывна в области D, то вокруг оптимальной точки M°(xi°, х г °) можно провести в данной плоскости замкнутую линию, вдоль ко­торой значение R = const. Таких линий, называемых линиями равных уровней, вокруг оптимальной точки можно провести множество (в зависимости от шага

Среди методов, применяемых для решения задач нелинейного програм­мирования, значительное место занимают методы поиска решений, основан­ные на анализе производной по направлению оптимизируемой функции. Если в каждой точке пространства скалярная функция нескольких переменных принимает вполне определенные значения, то в данном случае имеем дело со скалярным полем (поле температур, поле давлений, поле плотностей и т.д.). Подобным образом определяется векторное поле (поле сил, скоростей и т.д.). Изотермы, изобары, изохроны и т.д. - все это линии (поверхности) равных уровней, равных значений функции (температуры, давления, объема и т.д.). Поскольку от точки к точке пространства значение функции меняется, то ста­новится необходимым определение скорости изменения функции в простран­стве, то есть производной по направлению.

Понятие градиента широко используется в инженерных расчетах при на­хождении экстремумов нелинейных функций. Градиентные методы относятся к численным методам поискового типа. Они универсальны и особенно эффек­тивны в случаях поиска экстремумов нелинейных функций с ограничениями, а также когда аналитическая функция неизвестна совсем. Сущность этих мето­дов заключается в определении значений переменных, обеспечивающих экс­тремум функции цели, путем движения по градиенту (при поиске max) или в противоположном направлении (min). Различные градиентные методы отли­чаются один от другого способом определения движения к оптимуму. Суть заключается в том, что если линии равных уровней R{xu x i) характеризуют графически зависимость R(x\jc?), то поиск оптимальной точки можно вести по-разному. Например, изобразить сетку на плоскости х\, хг с указанием зна­чений R в узлах сетки (рис. 2.13).

Затем можно выбрать из узловых значений экстремальное. Путь этот не рациональный, связан с большим количеством вычислений, да и точность не­велика, так как зависит от шага, а оптимум может находиться между узлами.

Численные методы

Математические модели содержат соотношения, составленные на основе теоретического анализа изучаемых процессов или полученные в результате обработки экспериментов (таблиц данных, графиков). В любом случае мате матическая модель лишь приближенно описывает реальный процесс. Поэтом} вопрос точности, адекватности модели является важнейшим. Необходимости приближений возникает и при самом решении уравнений. До недавних пор модели, содержащие нелинейные дифференциальные уравнения или диффе ренциальные уравнения в частных производных, не могли быть решены ана литическими методами. Это же относится к многочисленным классам небе рущихся интегралов. Однако разработка методов численного анализа позво лила необозримо раздвинуть границы возможностей анализа математических моделей, особенно это стало реальным с применением ЭВМ.

Численные методы используются для приближения функций, для реше ния дифференциальных уравнений и их систем, для интегрирования и диффе ренцирования, для вычисления числовых выражений.

Функция может быть задана аналитически, таблицей, графиком. При вы полнении исследований распространенной задачей является приближение функции аналитическим выражением, удовлетворяющим поставленным уело виям. При этом решаются четыре задачи:

Выбор узловых точек, проведение экспериментов при определен­ных значениях (уровнях) независимых переменных (при непра­вильном выборе шага изменения фактора либо «пропустим» ха­рактерную особенность изучаемого процесса, либо удлиним про­цедуру и повысим трудоемкость поиска закономерности);

Выбор приближающих функций в виде многочленов, эмпириче­ских формул в зависимости от содержания конкретной задачи (следует стремиться к максимальному упрощению приближающих функций);

Выбор и использование критериев согласия, на основе которых на­ходятся параметры приближающих функций;

Выполнение требований заданной точности к выбору приближаю­щей функции.

В задачах приближения функций многочленами используются три класса

Линейная комбинация степенных функций (ряд Тейлора, много­члены Лагранжа, Ньютона и др.);

Комбинация функций соз пх, ш их (ряды Фурье);

Многочлен, образуемый функциями ехр (-а, г).

При нахождении приближающей функции используют различные крите­рии согласия с экспериментальными данными.

Рассмотрим задачу безусловной минимизации дифференцируемой функции многих переменных Пусть приближение к точке минимума значение градиента в точке Выше уже отмечалось, что в малой окрестности точки направление наискорейшего убывания функции задается антиградиентом Это свойство существенно используется в ряде методов минимизации. В рассматриваемом Ниже градиентном методе за направление спуска из точки непосредственно выбирается Таким образом, согласно градиентному методу

Существуют различные способы выбора шага каждый из которых задает определенный вариант градиентного метода.

1. Метод наискорейшего спуска.

Рассмотрим функцию одной скалярной переменной и выберем в качестве то значение, для которого выполняется равенство

Этот метод, предложенный в 1845 г. О. Коши, принято теперь называть методом наискорейшего спуска.

На рис. 10.5 изображена геометрическая иллюстрация этого метода для минимизации функции двух переменных. Из начальной точки перпендикулярно линии уровня в направлении спуск продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное вдоль луча значение функции . В найденной точке этот луч касается линии уровня Затем из точки проводят спуск в перпендикулярном линии уровня направлении до тех пор, пока соответствующий луч не коснется в точке проходящей через эту точку линии уровня, и т. д.

Отметим, что на каждой итерации выбор шага предполагает решение задачи одномерной минимизации (10.23). Иногда эту операцию удается выполнить аналитически, например для квадратичной функции.

Применим метод наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции

с симметричной положительно определенной матрицей А.

Согласно формуле (10.8), в этом случае Поэтому формула (10.22) выглядит здесь так:

Заметим, что

Эта функция является квадратичной функцией параметра а и достигает минимума при таком значении для которого

Таким образом, применительно к минимизации квадратичной

функции (10.24) метод наискорейшего спуска эквивалентен расчету по формуле (10.25), где

Замечание 1. Поскольку точка минимума функции (10.24) совпадает с решением системы метод наискорейшего спуска (10.25), (10.26) может применяться и как итерационный метод решения систем линейных алгебраических уравнений с симметричными положительно определенными матрицами.

Замечание 2. Отметим, что где отношение Рэлея (см. § 8.1).

Пример 10.1. Применим метод наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции

Заметим, что Поэтому точное значение точки минимума нам заранее известно. Запишем данную функцию в виде (10.24), где матрица и вектор Как нетрудно видеть,

Возьмем начальное приближение и будем вести вычисления по формулам (10.25), (10.26).

I итерация.

II итерация.

Можно показать, что для всех на итерации будут получены значения

Заметим, что при Таким образом,

последовательность полученная методом наискорейшего спуска, сходится со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой

На рис. 10.5 изображена именно та траектория спуска, которая была получена в данном примере.

Для случая минимизации квадратичной функции справедлив следующий общий результат .

Теорема 10.1. Пусть А - симметричная положительно определенная матрица и минимизируется квадратичная функция (10.24). Тогда при любом выборе начальною приближения метод наискорейшею спуска (10.25), (10.26) сходится и верна следующая оценка погрешности:

Здесь и Ладо - минимальное и максимальное собственные значения матрицы А.

Отметим, что этот метод сходится со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой причем если их близки, то мало и метод сходится достаточно быстро. Например, в примере 10.1 имеем и поэтому Если же Ащах, то и 1 и следует ожидать медленной сходимости метода наискорейшего спуска.

Пример 10.2. Применение метода наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции при начальном приближении дает последовательность приближений где Траектория спуска изображена на рис. 10.6.

Последовательность сходится здесь со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой равен т. е. существенно медленнее,

чем в предыдущем примерю. Так как здесь и полученный результат вполне согласуется с оценкой (10.27).

Замечание 1. Мы сформулировали теорему о сходимости метода наискорейшего спуска в случае, когда целевая функция является квадратичной. В общем случае, если минимизируемая функция строго выпуклая и имеет точку минимума х, то также независимо от выбора начального приближения полученная указанным методом последовательность сходится к х при . При этом после попадания в достаточно малую окрестность точки минимума сходимость становится линейной и знаменатель соответствующей геометрической прогрессии оценивается сверху величиной и где и минимальное и максимальное собственные числа матрицы Гессе

Замечание 2. Для квадратичной целевой функции (10.24) решение задачи одномерной минимизации (10.23) удается найти в виде простой явной формулы (10.26). Однако для большинства других нелинейных функций этого сделать нельзя и для вычисления методом наискорейшего спуска приходится применять численные методы одномерной минимизации типа тех, которые были рассмотрены в предыдущей главе.

2. Проблема "оврагов".

Из проведенного выше обсуждения следует, что градиентный метод сходится достаточно быстро, если для минимизируемой функции поверхности уровня близки к сферам (при линии уровня близки к окружностям). Для таких функций и 1. Теорема 10.1, замечание 1, а также результат примера 10.2 указывают на то, что скорость сходимости резко падает при увеличении величины Действительно, известно, что градиентный метод сходится очень медленно, если поверхности уровня минимизируемой функции сильно вытянуты в некоторых направлениях. В двумерном случае рельеф соответствующей поверхности напоминает рельеф местности с оврагом (рис. 10.7). Поэтому такие функции принято называть овражными. Вдоль направлений, характеризующих "дно оврага", овражная функция меняется незначительно, а в других направлениях, характеризующих "склон оврага", происходит резкое изменение функции.

Если начальная точка попадает на "склон оврага", то направление градиентного спуска оказывается почти перпендикулярным "дну оврага" и очередное приближение попадает на противоположный "склон оврага". Следующий шаг в направлении ко "дну оврага" возвращает приближение на первоначальный "склон оврага". В результате вместо того чтобы двигаться вдоль "дна оврага" в направлении к точке минимума, траектория спуска совершает зигзагообразные скачки поперек "оврага", почти не приближаясь к цели (рис. 10.7).

Для ускорения сходимости градиентного метода при минимизации овражных функций разработан ряд специальных "овражных" методов. Дадим представление об одном из простейших приемов. Из двух близких начальных точек совершают градиентный спуск на "дно оврага". Через найденные точки проводят прямую, вдоль которой совершают большой "овражный" шаг (рис. 10.8). Из найденной таким образом точки снова делают один шаг градиентного спуска в точку Затем совершают второй "овражный" шаг вдоль прямой, проходящей через точки . В результате движение вдоль "дна оврага" к точке минимума существенно ускоряется.

Более подробную информацию о проблеме "оврагов" и "овражных" методах можно найти, например, в , .

3. Другие подходы к определению шага спуска.

Как нетрудно понять, на каждой итерации было бы желательно выбирать направление спуска близкое к тому направлению, перемещение вдоль которого приводит из точки в точку х. К сожалению, антиградиент (является, как правило, неудачным направлением спуска. Особенно ярко это проявляется для овражных функций. Поэтому возникает сомнение в целесообразности тщательного поиска решения задачи одномерной минимизации (10.23) и появляется желание сделать в направлении лишь такой шаг, который бы обеспечил "существенное убывание" функции Более того, на практике иногда довольствуются определением значения которое просто обеспечивает уменьшение значения целевой функции.

Вектор-градиент направлен в сторону наискорейшего возрастания функции в данной точке. Вектор, противоположный градиенту -grad(/(x)), называется антиградиентом и направлен в сторону наискорейшего убывания функции. В точке минимума градиент функции равен нулю. На свойствах градиента основаны методы первого порядка, называемые также градиентным. Если нет дополнительной информации, то из начальной точки х (0 > лучше перейти в точку х (1) , лежащую в направлении антиградиента - наискорейшего убывания функции. Выбирая в качестве направления спуска антиградиент -grad(/(x (^)) в точке х (к получим итерационный процесс вида

В координатной форме этот процесс записывается следующим образом:

В качестве критерия останова итерационного процесса можно использовать либо условие (10.2), либо выполнение условия малости градиента

Возможен и комбинированный критерий, состоящий в одновременном выполнении указанных условий.

Градиентные методы отличаются друг от друга способами выбора величины шага а В методе с постоянным шагом для всех итераций выбирается некоторая постоянная величина шага. Достаточно малый шаг а^ обеспечивает убывание функции, т.е. выполнение неравенства

Однако это может привести к необходимости проводить достаточно большое количество итераций для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой шаг может вызвать рост функции либо привести к колебаниям около точки минимума. Требуется дополнительная информация для выбора величины шага, поэтому методы с постоянным шагом применяются на практике редко.

Более надежны и экономичны (в смысле количества итераций) градиентные методы с переменным шагом, когда в зависимости от полученного приближения величина шага некоторым образом меняется. В качестве примера такого метода рассмотрим метод наискорейшего спуска. В этом методе на каждой итерации величина шага я* выбирается из условия минимума функции /(х) в направлении спуска, т.е.

Это условие означает, что движение вдоль антиградиента происходит до тех пор, пока значение функции /(х) убывает. Поэтому на каждой итерации необходимо решать задачу одномерной минимизации по я функции ф(я) =/(х (/г) - - agrad^x^))). Алгоритм метода наискорейшего спуска состоит в следующем.

• 1. Зададим координаты начальной точки х^° точность приближенного решения г. Положим k = 0.
• 2. В точке х (/г) вычислим значение градиента grad(/(x (^)).
• 3. Определим величину шага а^ путем одномерной минимизации по я функции ср(я).
• 4. Определим новое приближение к точке минимума х (* +1 > по формуле (10.4).
• 5. Проверим условия останова итерационного процесса. Если они выполняются, то вычисления прекращаются. В противном случае полагаем k k + 1 и переходим к п. 2.

В методе наискорейшего спуска направление движения из точки х (*) касается линии уровня в точке х (* +1) . Траектория спуска зигзагообразная, и соседние звенья зигзага ортогональны друг другу. Действительно, шаг а^ выбирается путем минимизации по а функции (а ). Необходимое условие

минимума функции - = 0. Вычислив производную

сложной функции, получим условие ортогональности векторов направлений спуска в соседних точках:

Задачу минимизации функции ф(я) можно свести к задаче вычисления корня функции одной переменной g(a) =

Градиентные методы сходятся к минимуму со скоростью геометрической прогрессии для гладких выпуклых функций. У таких функций наибольшее и наименьшее собственные значения матрицы вторых производных (матрицы Гессе)

мало отличаются друг от друга, т.е. матрица Н(х) хорошо обусловлена. Однако на практике минимизируемые функции часто имеют плохо обусловленные матрицы вторых производных. Значения таких функций вдоль некоторых направлений изменяются гораздо быстрее, чем в других направлениях. Скорость сходимости градиентных методов существенно зависит также от точности вычислений градиента. Потеря точности, а это обычно происходит в окрестности точек минимума, может вообще нарушить сходимость процесса градиентного спуска. Поэтому градиентные методы зачастую используются в комбинации с другими, более эффективными методами на начальной стадии решения задачи. В этом случае точка х (0) находится далеко от точки минимума, и шаги в направлении антиградиента позволяют достичь существенного убывания функции.

Метод Гаусса-Зейделя

Метод заключается в поочерёдном нахождении частных экстремумов целевой функции по каждому фактору. При этом на каждом этапе стабилизируют (k-1) факторов и варьируют только один i-ый фактор

Порядок расчёта: в локальной области факторного пространства на основании предварительных опытов выбирают точку, соответствующую наилучшему результату процесса, и из неё начинают движение к оптимуму. Шаг движения по каждому фактору задаётся исследователем. Вначале фиксируют все факторы на одном уровне и изменяют один фактор до тех пор, пока будет увеличение (уменьшение) функции отклика (Y), затем изменяют другой фактор при стабилизации остальных и т. д. до тех пор пока не получат желаемый результат (Y). Главное правильно выбрать шаг движения по каждому фактору.

Этот способ наиболее прост, нагляден, но движение к оптимуму длительно и метод редко приводит в оптимальную точку. В настоящее время он иногда применяется при машинном эксперименте.

Эти методы обеспечивают движение к оптимуму по прямой перпендикулярной к линиям равного отклика, т. е. в направлении градиента функции отклика.

Градиентные методы имеют несколько разновидностей, различающихся правилами выбора ступеней варьирования и рабочих шагов на каждом этапе движения к экстремуму.

Сущность всех методов состоит в следующем: первоначально на основании предварительных опытов выбирают базовую точку. Затем на каждом этапе вокруг очередной базовой точки организуют пробные эксперименты, по результатам которых оценивают новое направление градиента, после чего в этом направлении совершают один рабочий шаг.

Метод градиента (обычный) осуществляется по следующей схеме:

а) выбирают базовую точку;

б) выбирают шаги движения по каждому фактору;

в) определяют координаты пробных точек;

г) проводят эксперименты в пробных точках. В результате получают значения параметра оптимизации (Y) в каждой точке.

д) по результатам опытов вычисляют оценки составляющих вектор-градиента в т. М для каждого i-го фактора:

где H i -шаг движения по X i .

X i – координаты предыдущей рабочей точки.

ж) координаты этой рабочей точки принимают за новую базовую точку, вокруг которой проводят эксперименты в пробных точках. Вычисляют градиент и т. д., пока не достигнут желаемого параметра оптимизации (Y). Корректировка направления движения производится после каждого шага.

Достоинства метода: простота, более высокая скорость движения к оптимуму.

Недостатки: большая чувствительность к помехам. Если кривая имеет сложную форму, метод может не привести к оптимуму. Если кривая отклика пологая - метод малоэффективен. Метод не даёт информации о взаимодействии факторов.

а) Метод крутого восхождения (Бокса - Уилсона).

б) Принятие решений после крутого восхождения.

в) Симплексный метод оптимизации.

г) Достоинства и недостатки методов.

5.7.3 Метод крутого восхождения (Бокса- Уилсона)

Этот метод является синтезом лучших черт градиентных методов, метода Гаусса-Зейделя и методов ПФЭ и ДФЭ – как средства получения математической модели процесса. Решение задачи оптимизации данным методом выполняется так, чтобы шаговое движение осуществлялось в направлении наискорейшего возрастания (убывания) параметра оптимизации. Корректировка направления движения (в отличие от градиентных методов) производится не после каждого шага, а по достижению частного экстремума целевой функции. Далее в точках частного экстремума ставится новый факторный эксперимент, составляется новая математическая модель и вновь повторяется крутое восхождение до достижения глобального оптимума. Движение по градиенту начинают из нулевой точки(центра плана).

Метод крутого восхождения предполагает движение к оптимуму по градиенту.

Где i,j,k-единичные векторы в направлении соответствующих координатных осей.

Порядок расчёта .

Исходными данными является математическая модель процесса, полученная любым способом (ПФЭ, ДФЭ и т.д.).

Расчеты проводят в следующем порядке:

а) уравнение регрессии лучше перевести в натуральный вид по формулам кодирования переменных:

где x i -кодированное значение переменной x i ;

X i - натуральное значение переменной x i ;

X i Ц -центральный уровень фактора в натуральном виде;

l i -интервал варьирования фактора x i в натуральном виде.

б) вычисляют шаги движения к оптимуму по каждому фактору.

Для этого вычисляют произведения коэффициентов уравнения регрессии в натуральном виде на соответствующие интервалы варьирования

B i *.l I ,

Затем выбирают из полученных произведений максимальное по модулю,а соответствующий этому произведению фактор принимают за базовый фактор(B a l a). Для базового фактора следует установить шаг движения, который рекомендуется задавать меньшим или равным интервалу варьирования базового фактоpa

Знак шага движения l a ’ должен совпадать со знаком коэффициента уравнения регрессии, соответствующего базовому фактору (B a). Величина шагов для других факторов вычисляется пропорционально базовому по формуле:

Знаки шагов движения также должны совпадать со знаками соответствующих коэффициентов уравнения регрессии.

в) вычисляют функцию отклика в центре плана, т. е. при значениях факторов равных центральному уровню факторов, т. к. движение к оптимуму начинают из центра плана.

Далее производят вычисление параметра оптимизации, увеличивая значения факторов на величину соответствующего шага движения, если хотят получить Y max . В противном случае, если необходимо получить Y min , значения факторов уменьшают на величину шага движения.

Процедуру повторяют, последовательно увеличивая количество шагов до тех пор, пока не достигнут желаемого значения параметра оптимизации (Y). Каждый из факторов после g шагов будет иметь значение:

Если Y® max X i =X i ц +gl i ` ’

если Y® min .X i =X i ц -gl i ` . (5.36)

Метод градиентного спуска.

Направление наискорейшего спуска соответствует направлению наибольшего убывания функции. Известно, что направление наибольшего возрастания функции двух переменных u = f(x, у) характеризуется ее градиентом:

где e1, е2 - единичные векторы (орты) в направлении координатных осей. Следовательно, направление, противоположное градиентному, укажет направление наибольшего убывания функции. Методы, основанные на выборе пути оптимизации с помощью градиента, называются градиентными.

Идея метода градиентного спуска состоит в следующем. Выбираем некоторую начальную точку

вычисляем в ней градиент рассматриваемой функции. Делаем шаг в направлении, обратном градиентному:

Процесс продолжается до получения наименьшего значения целевой функции. Строго говоря, момент окончания поиска наступит тогда, когда движение из полученной точки с любым шагом приводит к возрастанию значения целевой функции. Если минимум функции достигается внутри рассматриваемой области, то в этой точке градиент равен нулю, что также может служить сигналом об окончании процесса оптимизации.

Метод градиентного спуска обладает тем же недостатком, что и метод покоординатного спуска: при наличии оврагов на поверхности сходимость метода очень медленная.

В описанном методе требуется вычислять на каждом шаге оптимизации градиент целевой функции f(х):

Формулы для частных производных можно получить в явном виде лишь в том случае, когда целевая функция задана аналитически. В противном случае эти производные вычисляются с помощью численного дифференцирования:

При использовании градиентного спуска в задачах оптимизации основной объем вычислений приходится обычно на вычисление градиента целевой функции в каждой точке траектории спуска. Поэтому целесообразно уменьшить количество таких точек без ущерба для самого решения. Это достигается в некоторых методах, являющихся модификациями градиентного спуска. Одним из них является метод наискорейшего спуска. Согласно этому методу, после определения в начальной точке направления, противоположного градиенту целевой функции, решают одномерную задачу оптимизации, минимизируя функцию вдоль этого направления. А именно, минимизируется функция:

Для минимизации можно использовать один из методов одномерной оптимизации. Можно и просто двигаться в направлении, противоположном градиенту, делая при этом не один шаг, а несколько шагов до тех пор, пока целевая функция не перестанет убывать. В найденной новой точке снова определяют направление спуска (с помощью градиента) и ищут новую точку минимума целевой функции и т. д. В этом методе спуск происходит гораздо более крупными шагами, и градиент функции вычисляется в меньшем числе точек. Разница состоит в том, что здесь направление одномерной оптимизации определяется градиентом целевой функции, тогда как покоординатный спуск проводится на каждом шаге вдоль одного из координатных направлений.

Метод наискорейшего спуска для случая функции двух переменных z = f(x,y).

Во-первых, легко показать, что градиент функции перпендикулярен касательной к линии уровня в данной точке. Следовательно, в градиентных методах спуск происходит по нормали к линии уровня. Во-вторых, в точке, в которой достигается минимум целевой функции вдоль направления, производная функции по этому направлению обращается в нуль. Но производная функции равна нулю по направлению касательной к линии уровня. Отсюда следует, что градиент целевой функции в новой точке перпендикулярен направлению одномерной оптимизации на предыдущем шаге, т. е. спуск на двух последовательных шагах производится во взаимно перпендикулярных направлениях.