最优化梯度法和共轭梯度法
最优化方法-共轭方向和共轭梯度法
由3式可以看出
2020/3/6
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2.共轭方向-共轭方向法
• 基本定义
利用共轭方向作为搜索方向的无约束极小化算法
• 通用步骤:
(1)任取X 0 ,以及在X 0的下降方向P0 , k 0; (1)求解一维搜索问题
min f ( X k Pk ),为最优步长,是个数值．
(3) X k1 X k k Pk ;
X
T QX
bT
X
c, Q正定,
X 0是初始点,
P0
f
(X0)
X k1 X k k Pk , k 0,1...m 1, k是最优步长,且
Pk1 f ( X k1) ak Pk (这是构造的结果)
其中ak
f
( X k1)T QPk PkT QPk
,
P0
(
X
)T
k 1
Pk
)T
PkT f ( X k1)
f ( X k1) QX k1 b Q( X k k Pk ) b, ( X k 1 X k k Pk )
f ( X k1) (QX k b) kQPk f ( X k ) kQPk
当m 2时 所以，P0，P1， Pm1是线性无关的。
P0T QP1
P0T Q f ( X 1 )
f ( X 1 )T QP0 P0T QP0
P0
P0T Qf ( X 1 ) f ( X 1 )T QP0 0
表明，P0与P1共轭。
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1.共轭方向法的基本原理
• 已知 X1 点是在 X 0 点在直线 l0 上沿 P0 搜索方向的一个极小 点。（l0 与 P0 是平行的）
机器学习中常见的几种优化方法
机器学习中常见的几种优化方法阅读目录1. 梯度下降法（Gradient Descent）2. 牛顿法和拟牛顿法（Newton's method & Quasi-Newton Methods）3. 共轭梯度法（Conjugate Gradient）4. 启发式优化方法5. 解决约束优化问题——拉格朗日乘数法我们每个人都会在我们的生活或者工作中遇到各种各样的最优化问题，比如每个企业和个人都要考虑的一个问题“在一定成本下，如何使利润最大化”等。
最优化方法是一种数学方法，它是研究在给定约束之下如何寻求某些因素(的量)，以使某一(或某些)指标达到最优的一些学科的总称。
随着学习的深入，博主越来越发现最优化方法的重要性，学习和工作中遇到的大多问题都可以建模成一种最优化模型进行求解，比如我们现在学习的机器学习算法，大部分的机器学习算法的本质都是建立优化模型，通过最优化方法对目标函数（或损失函数）进行优化，从而训练出最好的模型。
常见的最优化方法有梯度下降法、牛顿法和拟牛顿法、共轭梯度法等等。
回到顶部1. 梯度下降法（Gradient Descent）梯度下降法是最早最简单，也是最为常用的最优化方法。
梯度下降法实现简单，当目标函数是凸函数时，梯度下降法的解是全局解。
一般情况下，其解不保证是全局最优解，梯度下降法的速度也未必是最快的。
梯度下降法的优化思想是用当前位置负梯度方向作为搜索方向，因为该方向为当前位置的最快下降方向，所以也被称为是”最速下降法“。
最速下降法越接近目标值，步长越小，前进越慢。
梯度下降法的搜索迭代示意图如下图所示：牛顿法的缺点：（1）靠近极小值时收敛速度减慢，如下图所示；（2）直线搜索时可能会产生一些问题；（3）可能会“之字形”地下降。
从上图可以看出，梯度下降法在接近最优解的区域收敛速度明显变慢，利用梯度下降法求解需要很多次的迭代。
在机器学习中，基于基本的梯度下降法发展了两种梯度下降方法，分别为随机梯度下降法和批量梯度下降法。
Matlab中的最优化问题求解方法
Matlab中的最优化问题求解方法近年来，最优化问题在各个领域中都扮演着重要的角色。
无论是在工程、经济学还是科学研究中，我们都需要找到最优解来满足特定的需求。
而Matlab作为一种强大的数值计算软件，在解决最优化问题方面有着广泛的应用。
本文将介绍一些Matlab中常用的最优化问题求解方法，并探讨其优缺点以及适用范围。
一. 无约束问题求解方法1. 最速下降法最速下降法是最简单且直观的无约束问题求解方法之一。
其基本思想是沿着梯度的反方向迭代求解，直到达到所需的精度要求。
然而，最速下降法的收敛速度通常很慢，特别是在局部极小值点附近。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是一种改进的最速下降法。
它利用了无约束问题的二次函数特性，通过选择一组相互共轭的搜索方向来提高收敛速度。
相比于最速下降法，共轭梯度法的收敛速度更快，尤其适用于大规模优化问题。
3. 牛顿法牛顿法是一种基于二阶导数信息的优化方法。
它通过构建并求解特定的二次逼近模型来求解无约束问题。
然而，牛顿法在高维问题中的计算复杂度较高，并且需要矩阵求逆运算，可能导致数值不稳定。
二. 线性规划问题求解方法1. 单纯形法单纯形法是一种经典的线性规划问题求解方法。
它通过在可行域内进行边界移动来寻找最优解。
然而，当问题规模较大时，单纯形法的计算复杂度会大幅增加，导致求解效率低下。
2. 内点法内点法是一种改进的线性规划问题求解方法。
与单纯形法不同，内点法通过将问题转化为一系列等价的非线性问题来求解。
内点法的优势在于其计算复杂度相对较低，尤其适用于大规模线性规划问题。
三. 非线性规划问题求解方法1. 信赖域算法信赖域算法是一种常用的非线性规划问题求解方法。
它通过构建局部模型，并通过逐步调整信赖域半径来寻找最优解。
信赖域算法既考虑了收敛速度，又保持了数值稳定性。
2. 遗传算法遗传算法是一种基于自然进化过程的优化算法。
它模拟遗传操作，并通过选择、交叉和变异等操作来搜索最优解。
遗传算法的优势在于其适用于复杂的非线性规划问题，但可能需要较长的计算时间。
优化设计梯度法和共轭梯度法
优化设计梯度法和共轭梯度法梯度法和共轭梯度法是常用的数值优化算法，用于求解非线性优化问题。
它们在工程领域中的应用广泛，能够有效解决很多实际问题。
本文将对优化设计梯度法和共轭梯度法进行介绍，并比较它们的优劣。
1. 优化设计梯度法优化设计梯度法是一种通过调整设计变量来最小化给定目标函数的方法。
它基于梯度下降的思想，每一步都会更新设计变量的取值，使得目标函数在设计变量的邻域内最小化。
优化设计梯度法的具体步骤如下：1）初始化设计变量；2）计算目标函数在当前设计变量取值下的梯度；3）根据梯度方向和步长因子更新设计变量；4）重复步骤2和步骤3，直到满足收敛条件。
优化设计梯度法的优点是简单易用，容易实现。
但是它也存在一些问题，比如容易陷入局部最小值，收敛速度慢等。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是一种通过迭代算法求解线性方程组的方法，也可以用于非线性优化问题。
它的特点是每一步迭代都要寻找一个新的搜索方向，使得每一次迭代都能够有效利用之前的搜索历史。
共轭梯度法的具体步骤如下：1）初始化设计变量和搜索方向；2）计算目标函数在当前设计变量取值下的梯度；3）根据搜索方向和步长因子更新设计变量；4）计算新的搜索方向，使其与上一次的搜索方向共轭；5）重复步骤2到步骤4，直到满足收敛条件。
共轭梯度法的优点是能够在较少的迭代次数内收敛到最优解，且具有较好的数值稳定性。
然而，共轭梯度法在非精确线搜索时有一定局限性，并且对于非二次凸函数可能陷入非全局最小值。
3. 优化设计梯度法与共轭梯度法的比较在实际应用中，选择合适的优化算法对于问题的解决和效率的提高至关重要。
下面对优化设计梯度法和共轭梯度法进行比较。
（1）收敛速度：在一般情况下，共轭梯度法比优化设计梯度法收敛速度更快。
这是由于共轭梯度法在搜索方向上的选择更加优化。
（2）算法复杂度：优化设计梯度法通常较为简单，易于实现，而共轭梯度法则相对复杂一些，需要额外计算共轭方向。
（3）全局最优解：共轭梯度法在处理非二次凸函数时可能陷入局部最小值，而优化设计梯度法的表现相对较差。
最优化问题的算法迭代格式
最优化问题的算法迭代格式最优化问题的算法迭代格式最优化问题是指在一定的条件下，寻找使某个目标函数取得极值（最大值或最小值）的变量取值。
解决最优化问题的方法有很多种，其中较为常见的是迭代法。
本文将介绍几种常用的最优化问题迭代算法及其格式。
一、梯度下降法梯度下降法是一种基于负梯度方向进行搜索的迭代算法，它通过不断地沿着目标函数的负梯度方向进行搜索，逐步接近极值点。
该方法具有收敛速度快、易于实现等优点，在许多应用领域中被广泛使用。
1. 算法描述对于目标函数 $f(x)$，初始点 $x_0$ 和学习率 $\alpha$，梯度下降算法可以描述为以下步骤：- 计算当前点 $x_k$ 的梯度 $\nabla f(x_k)$；- 更新当前点 $x_k$ 为 $x_{k+1}=x_k-\alpha\nabla f(x_k)$；- 如果满足停止条件，则输出结果；否则返回第 1 步。
2. 算法特点- 沿着负梯度方向进行搜索，能够快速收敛；- 学习率的选择对算法效果有重要影响；- 可能会陷入局部极小值。
二、共轭梯度法共轭梯度法是一种基于线性方程组求解的迭代算法，它通过不断地搜索与当前搜索方向共轭的新搜索方向，并在该方向上进行一维搜索，逐步接近极值点。
该方法具有收敛速度快、内存占用少等优点，在大规模问题中被广泛使用。
1. 算法描述对于目标函数 $f(x)$，初始点 $x_0$ 和初始搜索方向 $d_0$，共轭梯度算法可以描述为以下步骤：- 计算当前点 $x_k$ 的梯度 $\nabla f(x_k)$；- 如果满足停止条件，则输出结果；否则进行下一步；- 计算当前搜索方向 $d_k$；- 在当前搜索方向上进行一维搜索，得到最优步长 $\alpha_k$；- 更新当前点为 $x_{k+1}=x_k+\alpha_k d_k$；- 计算新的搜索方向 $d_{k+1}$；- 返回第 2 步。
2. 算法特点- 搜索方向与前面所有搜索方向都正交，能够快速收敛；- 需要存储和计算大量中间变量，内存占用较大；- 可以用于非线性问题的求解。
共轭方向与共轭梯度法-最优化方法
f (X1)T P0 0 ，所以 f (X1)T P0 1P1TQ P0 0
P1TQ P0 0
（1）
以上就是搜索方向P1所必须满足的（必要） 条件。这也是使X2是极小点的充分条件。 P1，P2称为关于Q的共轭方向。
讨论表明 对于二维的具有正定矩阵Q的 二次函数f(X),从任一初始点出发，依次沿关 于Q共轭的两个方向进行一维搜索，必可达到 f(X)的无约束精确极小点。
Pk 1
0
且对j 0,1 , k 2, 有
PjT QPk PjT Q f ( X k ) k1Pk1
PjT Qf
(X
k
)
k
PT
1 j
QPk
1
f ( X k )T QPj
f ( X k )T f ( X j1) f ( X j ) j
f ( X k1 ) QX k1 b Q( X k k Pk ) b (2)
f ( X k1 ) f ( X k ) k QPk
所以
f ( X m ) f ( X m1) m1QPm1
f ( X m2 ) m2QPm2 m1QPm1
其中1 是最优步长，1>0 .因为 X * 是无约束极小点。
故 f ( X * ) 0 即 QX * b 0
f (X1) QX1 b
Q( X * 1P1) b (QX * b) 1QP1 1QP1
又因为 X1是f(X)沿P0方向的直线l0上的极小点，故
设 X En ,
,Q为对称正定矩阵，P0，
P1，···，Pm-1是关于Q共轭的m个共轭方向，
基于梯度的优化算法
基于梯度的优化算法梯度是指函数在某一点上的变化率或者斜率，它在优化算法中起到了重要作用。
基于梯度的优化算法通过不断迭代来寻找函数的最小值或最大值。
本文将介绍几种常见的基于梯度的优化算法，并探讨其特点和应用领域。
一、梯度下降法梯度下降法是最常见的基于梯度的优化算法之一。
它的基本思想是从初始点开始，沿着负梯度的方向迭代更新，直到达到函数的最小值。
梯度下降法适用于凸函数的优化问题，但对于非凸函数可能会陷入局部最优解。
为了解决这个问题，可以使用随机梯度下降法或者批量梯度下降法。
随机梯度下降法每次迭代只使用一个样本来更新参数，这样可以加快收敛速度，但会引入一定的噪声。
批量梯度下降法每次迭代使用所有样本来更新参数，这样可以得到更准确的梯度信息，但计算开销较大。
二、牛顿法牛顿法是一种基于梯度的优化算法，它利用函数的二阶导数信息来进行迭代更新。
牛顿法的基本思想是通过泰勒展开将函数近似为二次函数，然后求解二次函数的最小值。
相比于梯度下降法，牛顿法的收敛速度更快。
但牛顿法需要计算二阶导数，计算量较大，而且对于非凸函数可能会陷入鞍点。
为了解决这个问题，可以使用拟牛顿法。
拟牛顿法通过近似求解牛顿法中的矩阵逆，从而减少了计算量。
其中最著名的算法是BFGS 算法和L-BFGS算法。
三、共轭梯度法共轭梯度法是一种用于求解线性方程组的优化算法，也可以用于解决非线性优化问题。
共轭梯度法的基本思想是通过迭代求解一系列共轭的方向，从而加快收敛速度。
共轭梯度法适用于大规模线性方程组的求解，例如在图像处理和机器学习中的应用。
四、Adam优化算法Adam优化算法是一种基于梯度的优化算法，结合了动量法和自适应学习率的特点。
Adam算法通过计算梯度的一阶矩和二阶矩来自适应地调整学习率。
相比于传统的梯度下降法，Adam算法具有更快的收敛速度和更好的性能。
总结：基于梯度的优化算法在机器学习、深度学习和优化问题中都有广泛的应用。
不同的优化算法适用于不同的问题和场景。
(整理)16梯度法和共轭梯度法基本原理和特点.
16梯度法和共轭梯度法基本原理和特点？梯度法又称最速下降法，基本原理是在迭代点附近采用使目标函数值下降最快的负梯度方向作为搜索方向，求目标函数的极小值，特点；迭代计算简单，只需求一阶偏导数，所占的存储单元少，对初始点的要求不高，在接近极小点位置时收敛速度很慢，共轭的特点为在梯度法靠近极值点收敛速度放慢时，它可以构造共轭方向使其收敛速度加快，迭代计算比较简单，效果好，在每一步迭代过程中都要构造共轭的、方向，比较繁琐。
17迭代终止准则有哪三种？1）当设计变量在相邻两点之间的移动距离充分小时，可用相邻两点的矢量差的模作为终止的判据，2）当相邻两点目标函数值之差达到充分小时，可用两次迭代的目标函数之差作为终止判据。
3）当迭代点逼近极值点时，目标函数在该点的梯度已达到充分小时，可用梯度的模作为终止判据。
18.无约束设计法，1）powell法，它是在下降迭代过运算中只需计算和比较目标函数值的大小，不需计算偏导数的方法，是较好的一种直接搜索算法。
2）梯度法，又称最速下降法，它是采用使目标函数值下降最快的负梯度方向作为搜索方向来求目标函数的极小值。
3）共轭梯度法，又称FR法，是利用目标函数的梯度确定共轭方向，使得计算简便而效果好，只需利用相邻两点的梯度就可以构造一个共轭方向，这种方式产生共轭方向并进行迭代的算法称为共轭梯度法。
4）变尺度法，又称DFP法，为了得到既有快速收敛的性质，又能避免计算二阶导数矩阵及逆矩阵，减少计算工作量。
迭代公式X=X+aS,19有约束设计法？1）复合形法，在可行域中选取k个设计点作为初始复合形的顶点，然后比较复合形个各项目标函数值的大小，其中目标函数值最大的点为坏点，以坏点之外其余各点的中心为映射中心，寻坏点的映射点，以映射点替换坏点，并与原复合型除坏点之外其余各点构成就k 顶点的新的复合型，这样反复迭代直到达到精度找到最优点，2）简约梯度法，用来解决线性约束非线性规划问题。
3）罚函数法，是把一个有约束的问题转化为一系列无约束的问题求解，逐渐逼近最优值。
共轭梯度法在优化问题中的应用
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。
最优化共轭梯度法
最优化共轭梯度法最优化共轭梯度法（Conjugate Gradient Method）是一种迭代求解线性方程组或优化问题的方法。
它的特点是对于二次正定函数，可以在有限次迭代内精确地求出最优解。
在非二次函数的优化问题中，共轭梯度法表现出了较好的收敛性和全局能力。
共轭梯度法的核心思想是通过选择适当的方向，使得每一次方向的梯度互相“共轭”，从而加快收敛速度。
当目标函数为二次函数时，共轭梯度法能够在有限次迭代中得到精确解；而对于非二次函数的优化问题，共轭梯度法通过先验条件选择合适的方向，最大程度地减小目标函数值。
共轭梯度法的基本步骤如下：1.初始化参数：设置初始点的位置和方向，对于非二次函数，通常选取梯度方向作为方向。
2. 计算步长：通过线方法（如Armijo准则、Wolfe准则等）定位到目标函数上降速度最快的点，并计算目标函数在该点的梯度。
3.更新方向：利用“共轭”梯度法，根据先验条件计算新的方向。
4.判断终止条件：判断目标函数值是否满足设定的终止条件，若满足则停止迭代，否则返回步骤2对于二次函数，最优化共轭梯度法表现出了优良的性能。
当目标函数是非二次函数时，共轭梯度法的表现会有所下降，但仍然比一般的梯度下降法更具有优势。
因此，共轭梯度法常被用于求解大规模线性方程组、信号处理、数字滤波、机器学习等领域。
最优化共轭梯度法的优点在于：收敛速度较快，全局能力较强，不需要存储海量信息。
然而，该方法也存在一些缺点。
首先，共轭梯度法对目标函数的性质有一定的要求，例如目标函数必须是光滑的，并且梯度向量必须是有效的。
其次，共轭梯度法对初始点的选择较为敏感，不同的初始点可能导致不同的解。
总结来说，最优化共轭梯度法是一种高效的优化算法，可以加快目标函数收敛速度，尤其适用于解决二次函数优化问题。
在非二次函数的优化问题中，共轭梯度法以其较好的收敛性和全局能力在实际应用中发挥着重要作用。
第9讲梯度法和共轭梯度法
{ x( ) }
k
A−a 收敛于 x , 则目标函数值的序列 f ( x( k ) ) 以不大于 A+ a
{
}
2
的收敛比线性的收敛于 f ( x ) . 若令 r = A / a ,则
A − a r −1 = < 1. A + a r +1
i =1 k
生成的子空间。 x 是由 d (1) , d ( 2 ) ,⋯ , d ( k ) 生成的子空间。特别地 ， k = n时， ( n +1)是 当 f ( x )在 R n 上的唯一极小点。 上的唯一极小点。
推论
在上述定理条件下， 在上述定理条件下，必 有
∇f ( x ( k +1) )T d ( i ) = 0 , i = 1 , 2 ,⋯ , k 。
( 2) 设已求得点 x ( k +1) ， ∇f ( x ( k +1) ) ≠ 0 ， g k +1 = ∇f ( x ( k +1) ) ， 若 令 则下一个搜索方向 d ( k +1)按如下方式确定 : 令 d ( k + 1) = − g k + 1 + β k d ( k ) (1)
如何确定 β k？
证明
设存在实数 α 1 , α 2 ,⋯ , α k ，使得
i =1
∑ αid = 0,
i
k
上式两边同时左乘d jT A ，则有
i =1 k
∑ αid
k
jT
Ad i = 0 ,
共轭的向量， 因为 d 1 , d 2 ,⋯ , d 是 k 个 A 共轭的向量，所以上式 可化简为
最优化方法3-5共轭梯度法和共轭方向法
算法 3.5.1
设目标函数为 f (x) 1 xTGx bT x c，其中G 正定。 2
给定控制误差 。
Step1. 给定初始点 x0及初始下降方向 p0，令k 0。
Step2. 作精确一维搜索，求步长k
f
( xk
k
pk )
min
0
f
( xk
pk
)
Step3. 令 xk1 xk k pk 。
称 Fletcher-Reeves 公式，简称 FR 公式。
k 1
gkT Gpk1 pkT1Gpk 1
Gpk 1
1
k 1
(gk
g
k 1 ) ，
gkT Gpk1
1
k 1
gkT
(gk
g
k 1)
，
pkT1Gpk 1
1
k 1
(g
k1 k2
pk2 )T
(gk
g
k 1)
1
k 1
g
g T
k 1 k
1
（2）Polak-Ribiere-Polyak 公式
故
k 1
g
T k
(
gk
g
k 1)
gkT1gk 1
此式是 Polak 和 Ribiere 以及 Polyak 分别于 1969
年提出的，故称 Polak-Ribiere-Polyak 公式，简称 PRP
0，i
1,2,L
,k
(ii) xk1是二次函数在k 维超平面Hk 上的极小点。
证明 由引理 3.5.2，只需证明(i)，
求全局最优化的几种确定性算法
求全局最优化的几种确定性算法全局最优化是一个在给定约束条件下寻找函数全局最小或最大值的问题。
确定性算法是指每次运行算法都能得到相同的结果，且结果能确保接近全局最优解。
以下是几种常见的确定性算法：1. 梯度下降法（Gradient Descent）梯度下降法是一种迭代优化算法，通过沿负梯度方向逐步调整参数值，直至找到函数的最小值或最大值。
该算法对于凸函数是有效的，但可能会陷入局部最优解。
可以通过调整学习率和选择不同的初始参数值来改进算法的效果。
2. 牛顿法（Newton's Method）牛顿法利用函数的二阶导数信息来找到函数的最小值或最大值。
它基于泰勒级数展开，通过使用当前点的一阶和二阶导数来逼近函数，然后迭代地更新参数值。
牛顿法通常比梯度下降法更快地收敛到全局最优解，但它可能需要计算和存储较大的二阶导数矩阵。
3. 共轭梯度法（Conjugate Gradient）共轭梯度法是一种迭代法，用于求解线性方程组或优化问题。
它利用问题的海森矩阵或其逼近的特殊性质，在有限次迭代后得到准确解。
共轭梯度法在解决大规模问题时具有可伸缩性，且不需要存储大规模矩阵。
4. BFGS算法（Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno Algorithm）BFGS算法是一种拟牛顿法，用于解决无约束非线性优化问题。
它通过近似目标函数的海森矩阵的逆矩阵来逼近最优解，从而避免了计算海森矩阵的复杂性。
BFGS算法具有快速的收敛性和较好的全局收敛性。
5. 遗传算法（Genetic Algorithms）遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化方法，通过模拟自然界的选择、交叉和变异过程来最优解。
它将问题表示成一个个基因型，通过使用选择、交叉和变异等操作来产生新的个体，并根据适应度函数评估每个个体的好坏。
遗传算法具有全局能力，可以处理非线性、非凸函数以及离散优化问题。
6. 粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization）粒子群优化算法是一种模拟鸟群或鱼群行为的优化算法。
最优化课程练习-共轭梯度法
无约束优化方法—共轭梯度法1.共轭梯度法共轭梯度法是介于最速下降法与牛顿法之间的一个方法，它仅需利用一阶导数信息，但克服了最速下降法收敛慢的缺点，又避免了牛顿法需要存储和计算海赛矩阵并求逆的缺点，共轭梯度法不仅是解决大型线性方程组最有用的方法之一，也是解大型非线性最优化最有效的算法之一。
其基本思想是利用负梯度方向，构造一共轭方向，使其尽快达到最优点。
共轭梯度法迭代过程如图1所示。
1X 2图1 共轭梯度法迭代过程()k 1x +点是沿()k x 点负梯度方向()()K k Sg =-搜索到的极值点。
如果接着从()k 1x +点出发，不是按着其负梯度方向()kg -搜索，而是沿着通过*x 点的方向()1K S +搜索，显然立即就能搜索到极值点*x 。
根据共轭理论，它们应当满足()()(1)1k Tk SAS+=即()KS 与()1K S +是互为共轭方向，新构造的共轭方向()1K S +，可由矢量合成，()(1)(1)()()2k k k k SgSβ++=-+()k β值可根据在极值点附近目标函数等值线近似为二次型函数的道理，推到出：()(1)(1)(1)2()()()()2||||3||||k T k k k k T k k gg g g g g β+++==利用两个点的梯度()k g和(1)k g+，就可以构造一个与梯度矢量为共轭的矢量()1K S +，沿着该方向搜索，即可求得极值点。
共轭梯度法程序框图如图2所示。
图2 共轭梯度法程序框图2. 共轭梯度法的应用用共轭梯度法计算22121212()52410f X x x x x x x =+---+ 的最优解，其中：初始点()0[1,1]T X =。
收敛精度ε=0.0001(1).共轭梯度法程序设计#include "stdio.h" #include "math.h"double fun1(double x1,double x2) {double y;y=x1*x1+x2*x2-5*x1*x2-2*x1-4*x2+10; return y; }double fun2(double g[],double d[]) {double buchang;buchang=-(g[0]*d[0]+g[1]*d[1])/(d[0]*(2*d[0]-5*d[1])+d[1]*(-5*d[0]+2*d[1])); return buchang; }main(){ double t, beta,x1=1,x2=1,d[2],g[4], y, m,e=0.0001; int k=1;g[0]=2*x1-5*x2-2; g[1]=2*x2-5*x1-4; m=(sqrt(g[0]*g[0]+g[1]*g[1]));while(m>e&&k<=200) { if (k==1) {d[0]=-g[0]; d[1]=-g[1];beta=0; } else {beta=(g[0]*g[0]+g[1]*g[1])/(g[2]*g[2]+g[3]*g[3]); d[0]=-g[0]+beta*d[0]; d[1]=-g[1]+beta*d[1]; }t=fun2(g,d); x1=x1+d[0]*t; x2=x2+d[1]*t; g[2]=g[0]; g[3]=g[1];g[0]= 2*x1-5*x2-2;g[1]= 2*x2-5*x1-4;m=sqrt(g[0]*g[0]+g[1]*g[1]); k++; }y=fun1(x1,x2);printf("迭代次数为k=%d\n",k);printf("分别输出x1=%f,x2=%f\n",x1,x2); printf("极小值y=%f",y); }(2).程序运行结果(3).结 论用共轭梯度法计算22121212()52410f X x x x x x x =+---+的最优解为*( 1.142857,0.857143)X =-- ,*()12.857143F X = 。
最优化方法 共轭梯度法
而对于形为上述二次函数，其中G为实对称正定矩 阵，只要我们适当选取Rn的一组{p1,p2,...pn}，使得pi 满足条件piTQpj=0(i≠j)
则易见在新的基下，f(x)就成为变量分离的形式。 于是，从任何一个初始点x(1)出发，分别沿每个pi方向 作线搜索，经过一轮后，肯定就能得到最优解，我们把 满足上述条件的n维方向称为是G-共轭的。
共轭梯度法
贺小燕
二、共轭梯度法 共轭梯度法是针对二次函数f(x)=(1/2)xTGx+bTx+c ，x=
（x1,x2,...,xn）T的无约束极小问题，考虑出一种搜索 方向的合理选取方法，然后形式地推广到一般的可微函 数。
首先注意到，对于变量分离的函数 f(x)=f1(x1)+f2(x2)+....+fn(xn)
Hale Waihona Puke 三、算法特点：1、全局收敛（下降算法）；线性收敛；
2、每步迭代只需存储若干向量（适用于 大规模问题）；
3、有二次终结性（对于正定二次函数， 至多n次迭代可达opt.）
注：对不同的β k公式，对于正定二次函 数是相等的，对非正定二次函数，有不 同的效果，经验上PRP效果较好。
定义：设G为n阶实对阵正定矩阵，若n维方 向x和y满足xTGy=0则称方向x和y是G-共轭 的。
共轭梯度法就是在每个迭代点x(k)处，以负 梯度- ▽f(x(k))和前一个搜索方向pk-1适当组合， 构成和前面k-1个搜索方向p1,p2,...pk-1均两两G共轭的搜索方向pk，故以此命名。
基于上面的考虑，现在的问题是如何构造出 两两G-共轭的方向？
最优化问题共轭梯度法法代码
最优化问题共轭梯度法法代码x本文介绍了最优化问题共轭梯度法法的代码实现，以及如何使用代码解决最优化问题。
一、共轭梯度法简介共轭梯度法是一种常用的最优化算法，它是一种经典的迭代方法，用于求解凸函数的极值问题。
其基本思想是：在每一步，沿着梯度下降的方向迭代，直到梯度为零就停止迭代。
共轭梯度法的迭代公式为：$$x_{k+1}=x_k+alpha_k p_k$$其中，$alpha_k$ 是步长参数，$p_k$ 是当前搜索方向，$x_k$ 是当前点的位置。
二、代码实现1.函数定义```python# 共轭梯度法# 入参：函数func，梯度函数grad，初始点x0，步长参数alpha，精度epsilon# 出参：求解的最优点xdef conjugate_gradient_method(func, grad, x0, alpha, epsilon):```2.初始化搜索方向```python# 初始化搜索方向p_k = -grad(x_k)```3.更新迭代点```python# 更新迭代点x_k = x_k + alpha * p_k```4.更新搜索方向```python# 更新搜索方向beta_k = (grad(x_k) * grad(x_k)) / (grad(x_k_prev) * grad(x_k_prev))p_k = -grad(x_k) + beta_k * p_k_prev```5.检查终止条件```python# 检查终止条件if np.linalg.norm(grad(x_k)) < epsilon:break```6.完整代码```python# 共轭梯度法# 入参：函数func，梯度函数grad，初始点x0，步长参数alpha，精度epsilon# 出参：求解的最优点xdef conjugate_gradient_method(func, grad, x0, alpha, epsilon):x_k = x0p_k = -grad(x_k)while np.linalg.norm(grad(x_k)) > epsilon:x_k_prev = x_kp_k_prev = p_kline_search = line_search_method(func, grad, p_k, x_k, alpha)x_k = x_k + line_search * p_kbeta_k = (grad(x_k) * grad(x_k)) / (grad(x_k_prev) * grad(x_k_prev))p_k = -grad(x_k) + beta_k * p_k_prevreturn x_k```三、如何使用代码解决最优化问题1.确定问题首先，我们需要确定最优化问题，即构造一个函数，其中包含我们想要优化的目标函数以及约束条件。
非线性优化算法研究及其应用
非线性优化算法研究及其应用一、引言非线性优化是一类重要的数学问题，应用广泛于科学、工程、经济等领域。
目前，该领域已经发展出多种非线性优化算法，本文将介绍其中常用的几种算法及其应用。
二、常见非线性优化算法1. 梯度法梯度法也称作最速下降法，是求解无约束问题的常用方法。
该算法的基本思想是：从某一初始点出发，在每一步中沿着当前位置的求导方向下降最快的方向走向下一个点，直到达到最优解。
梯度法的优点是简单易用，但由于其收敛速度较慢，在复杂问题中应用受到限制。
2. 共轭梯度法共轭梯度法是用于求解对称正定问题的一种方法。
在每一步中，该算法找到和前一步方向不同的下降方向，从而加快了收敛速度。
如果函数能够准确地表示为二次函数，则共轭梯度法能够在有限步数内找到最优解。
3. 牛顿法牛顿法是使用二阶导数信息来求解无约束问题的一种加速方法。
该算法在每一步中使用当前位置的一阶导数和二阶导数信息来进行迭代。
由于牛顿法需要计算二阶导数，因此它可能会受到数值不稳定性的影响。
此外，在复杂问题中它的收敛速度也较慢。
4. 拟牛顿法拟牛顿法是一种非常流行的无约束问题求解方法。
与牛顿法不同的是，拟牛顿法使用一阶导数信息来逼近二阶导数信息。
通常情况下，它会使用BFGS或DFP方法进行逼近。
拟牛顿法的优点是在需要求解大型问题时，它能够处理复杂的变量空间，且比梯度法更快。
三、应用案例1.工程中的优化问题在工程中，优化问题常常用于设计产品、制造工艺和材料的选择等领域。
利用非线性优化算法，工程师可以对设计和生产流程进行优化，提高产品的质量和降低成本。
例如，一家航空公司可能会使用拟牛顿法来优化旅客飞行过程中的飞机燃油消耗问题。
借助该算法，他们可以计算出最佳飞行路线以及在飞机使用的燃料和航速之间进行最优权衡。
2.金融中的优化问题金融中的优化问题也非常关键。
例如，一家投资组合管理公司可能需要在市场上进行投资，并考虑一些限制因素。
非线性优化算法可以帮助他们优化投资策略，达到最佳风险/收益比。
梯度类算法
梯度类算法介绍梯度类算法是机器学习中一类常用的优化算法，用于求解目标函数的最优解。
该算法以梯度为基础，通过迭代更新模型参数，逐步优化模型的准确性和性能。
梯度类算法广泛应用于回归问题、分类问题等多个领域，并在深度学习中得到了广泛的应用。
主要梯度类算法1. 梯度下降法（Gradient Descent）梯度下降法是一种常用的优化算法，通过迭代更新模型参数，使目标函数最小化。
其主要思想是根据目标函数的梯度方向，逐步向最陡峭的下降方向移动，直至达到极小值点。
梯度下降法有批量梯度下降法（Batch Gradient Descent）和随机梯度下降法（Stochastic Gradient Descent）两种形式。
批量梯度下降法批量梯度下降法在每一次迭代中使用所有的训练样本来计算梯度，并更新模型参数。
该方法保证了每一次迭代都能朝着全局最优解的方向前进，但计算量较大。
随机梯度下降法随机梯度下降法在每一次迭代中只使用一个样本来计算梯度，并更新模型参数。
该方法具有计算速度快的优点，但由于随机选择样本，可能导致朝着局部最优解的方向前进。
2. 最速下降法（Steepest Descent）最速下降法是一种基于梯度的优化算法，用于求解无约束问题的最优解。
该算法通过计算梯度方向和步长，逐步迭代向最陡峭的下降方向移动。
最速下降法的关键步骤是确定步长，常用的方法有精确线搜索和回溯线搜索。
3. 共轭梯度法（Conjugate Gradient）共轭梯度法是一种迭代的最优化算法，用于求解对称正定系统的线性方程组。
该算法通过构造一组共轭的搜索方向，逐步迭代更新模型参数，直至达到最优解。
共轭梯度法的收敛速度较快，尤其在求解大规模线性方程组时具有优势。
4. 牛顿法（Newton’s Method）牛顿法是一种基于二阶导数的优化算法，用于求解非线性方程和最优化问题。
该算法通过构造二阶导数矩阵的逆，优化目标函数的二次近似。
牛顿法的收敛速度较快，但对于高维大规模问题，计算复杂度较高。
共轭梯度最优化方法
共轭梯度最优化方法
共轭梯度法呢，它主要是用来解决最优化问题的。
想象一下，你在一个超级复杂的迷宫里找宝藏，这个宝藏就是那个最优解。
普通的方法可能就像没头苍蝇乱撞，但是共轭梯度法就像是有个小机灵鬼在给你指路。
它有个很厉害的地方，就是利用了之前搜索的信息。
就好比你前面走过的路不是白走的，它会根据之前的经验来决定下一步往哪走。
比如说，你第一次往左边走了一段，发现不太对，那这个方法就会把这个信息记下来，下一次就不会再傻乎乎地一直往左边走啦。
在数学上呢，它是基于一些向量之间的特殊关系，也就是共轭关系。
这就像是一群小伙伴，他们之间有着某种默契，互相配合来找到那个最优解。
共轭梯度法的优点可不少呢。
它比一些传统的最优化方法要快很多。
就像跑步比赛，别人还在慢悠悠地起步，它已经像小火箭一样冲出去了。
而且，它不需要太多的存储空间，就像一个很会整理东西的小能手，不会把空间弄得乱七八糟。
不过呢，它也不是完美无缺的。
有时候在一些特别复杂的情况下，它可能也会有点小迷糊。
但是总体来说，在很多领域都超级有用。
还有在机器学习里，要调整那些复杂的模型参数，让模型预测得更准。
共轭梯度法也能来帮忙，它就像一个小导师，告诉那些参数应该怎么调整才能让整个模型变得更优秀。
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函数的极小点。
以下分析算法的具体步骤。
(1) 任取初始点 x (1)，第一个搜索方向取为 d (1) f ( x (1) ) ；
( 2) 设已求得点 x ( k 1) ， f ( x ( k 1) ) 0 ， g k 1 f ( x ( k 1) ) ， 若 令
局部目标函数值下降最快的方向。 最速下降法是线性收敛的算法。
三. 共轭梯度法
1. 共轭方向和共轭方向法
R 定义 设 A 是 n n 的对称正定矩阵，对于 n中的两个非零向量d 1 和 d 2，
若有 d
1T
Ad 2 0 ，则称 d 1和d 2关于A共轭。
设 d 1 , d 2 ,, d k 是 Rn 中一组非零向量，如果 它们两两关于A
以任意的 x (1) R n为初始点，依次沿 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 进行搜索，
得到点 x ( 2) , x ( 3) ,, x ( k 1) , 则 x ( k 1) 是函数 f ( x )在 x (1) Bk 上的
极小点，其中
Bk { x | x i d ( i ) , i R }
i
d ( i ) A g i 1 d
( i )T
T
Ad
(i )
g i 1T A d ( i ) d
( i )T
Ad ( i )
g i 1T A[ ( x ( i 1) x ( i ) ) / i ] d
( i )T
A [ ( x ( i 1) x ( i ) ) / i ]
共轭，即 d i Ad j 0 , i j , i , j 1 , 2 ,, k 。
T
则称这组方向是关于 共轭的，也称它们是一 A共轭方向。 A 组
注：如果A是单位矩阵，则
d
1T
I d 0d
2
1T
d2 0
d1 d 2
共轭是正交的推广。
d 定理 1. 设 A是 n阶对称正定矩阵， 1 , d 2 ,, d k 是 k 个 A 共轭的非零
Ad ( j ) 0 , j 1 , 2 ,, i 1;
(2) gi T g j 0 , j 1 , 2 ,, i 1;
( 3) g iT d ( i ) g iT g i 。
注 （1）由定理3 可知搜索方向d (1) , d ( 2 ) ,, d ( m) 是 A 共轭的。
解得 k d ( k ) A g k 1 d
( k )T T
T
T
T
Ad
(k )
( 2)
(3) 搜索步长的确定 :
已知迭代点 x ( k )和搜索方向d ( k ) , 利用一维搜索确定最优步长 k ，
即求解
记 令 即有
min
f ( x ( k ) d ( k ) ) 。
( ) f ( x ( k ) d ( k ) ) ,
该等值面在点x(1) 处的法向量为
f ( x (1) ) A( x (1) x ) . 则 d (1) 与 f ( x (1) ) 正交，
x2
x ( 0)
d (1)
x
即 d
(1)T
f ( x ) 0,
( 1)
d
( 2)
x (1 ) x1
o
令 d ( 2) x x(1) ,
所以
共轭方向法
对于极小化问题
1 T x Ax bT x c , 2 其中A是正定矩阵，称下述算 法为共轭方向法 : min f ( x)
(1) 取定一组 A 共轭方向d (1) , d ( 2 ) ,, d ( n ) ； ( 2) 任取初始点 x (1) , 依次按照下式由 x ( k )确定点 x ( k 1) ,
1. 任取初始点 x (1) ， 精度要求 ，令 k 1。
2. 令g1 f ( x (1) ) , 若 || g1 || , 停止， (1)为所求极小点； x 否则，令d (1) g1 , 利用公式（3）计算1 ， x ( 2) x (1) 1 d (1)。 令 3. 令g k 1 f ( x ( k 1) ) , 若 || g k 1 || , 停止， ( k 1)为所求极小点； x 否则，令d ( k 1) g k 1 k d ( k ) , 其中 k 用公式（4）计算。
则下一个搜索方向 d ( k 1)按如下方式确定:
令 d ( k 1) g k 1 k d ( k )
(1)
如何确定 k？
要求 d ( k 1) 和 d ( k ) 关于 A共轭。
则在（ ）式两边同时左乘 ( k ) A ，得 1 d
T
0 d ( k ) Ad ( k 1) d ( k ) Agk 1 k d ( k ) A d ( k )
如何选择下降最快的方向？
f ( x k ) 函数值增加最快的方向
xk
函数值下降的方向
f ( x k ) 函数值下降最快的方向
梯度法（最速下降法）：
1. 搜索方向： k f ( x k ) , 也称为最速下降方向； d
2. 搜索步长: k 取最优步长 即满足 f ( x k k d k ) min f ( x k d k ) 。 ,
d 1 f ( x 1 ) ( 4 , 6 )T . x 1 d 1 ( 2 4 , 1 6 )T . 令 ( ) f ( x 1 d 1 ) ( 2 4 ) 2 3 ( 1 6 ) 2 ，
求解
min ( )
4. 令 x k 1 x k k d k , 令 k : k 1 , 转2。
2 2 例. 用最速下降法求解 : min f ( x ) x1 3 x2 , 设初始点为 x 1 ( 2 , 1 )T ,
求迭代一次后的迭代点 x 2 。
解： f ( x ) ( 2 x1 , 6 x 2 )T ,
则有 f ( x k k d k )T d k 0 。
令 ( ) f ( x k d k )， 所以 证明：
( ) f ( x k d k )T d k .
f ( x k k d k ) min f ( x k d k )
( k ) f ( x k k d k )T d k 0 .
n 次迭代必可得到最优解 。
如何选取一组共轭方向？
2. 共轭梯度法
Fletcher R eeves 共轭梯度法:
1 T x Ax bT x c 2 其中 x R n , A是对称正定矩阵， R n， 是常数。 b c min f ( x)
基本思想： 将共轭性和最速下降方 向相结合，利用已知迭 代点
梯度法和共轭梯度法
1. 无约束最优化问题 2. 梯度法 3. 共轭梯度法
一. 无约束最优化问题
无约束最优化问题 min
f ( x) x Rn
s.t .
其中f ( x ) 有一阶连续偏导数。
解析方法：利用函数的解析性质构造迭代公式使之收敛到最优解。
二. 梯度法（最速下降法） 迭代公式：
x k 1 x k k d k
向量，则这个向量组线性无关。
证明
设存在实数 1 , 2 ,, k ，使得
i 1
id 0,ik Nhomakorabea上式两边同时左乘 j A ，则有 d
i 1 k
T
id
k
jT
Ad i 0 ,
因为 d 1 , d 2 ,, d 是 k 个 A 共轭的向量，所以上式可化简为
jd
j
jT
Ad j 0 .
x ( k 1) x ( k ) k d ( k ) f ( x ( k ) d ( k ) ) min f ( x ( k ) d ( k ) ) k
直到某个 x ( k ) 满足 f ( x ( k ) ) 0。
注 由定理2可知，利用共轭方向法 求解上述极小化问题， 至多经过
( ) f ( x ( k ) d ( k ) )T d ( k ) 0，
[ A ( x ( k ) d ( k ) ) b ]T d ( k ) 0，
令
g k f ( x ( k ) ) Ax ( k ) b，则有 [ g k Ad ( k ) ]T d ( k ) 0，
i 1
k
是由 d (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 生成的子空间。特别地， k n时， ( n1)是 当 x f ( x )在R n上的唯一极小点。
推论
在上述定理条件下，必有
f ( x ( k 1) )T d ( i ) 0 , i 1 , 2 , , k 。
是以 x 为中心的椭球面。
由于 f ( x ) A( x x ) 0 , 而
2 f ( x ) A,
因为A 正定，所以 2 f ( x ) A 0 ,
x
因此 x 是 f (x ) 的极小点。
设 x ( 0 ) 是在某个等值面上的一点，d (1) 是 R n中的一个方向， x ( 0 )沿着 d (1) 以最优步长搜索得到点 x (1) 。 则 d (1)是点 x (1)所在等值面的切向量。
d (1)T Ad ( 2) 0,
即等值面上一点处的切 向量与由这一点指向极小点的向量关于A 共轭。
1 T x Ax bT x c ， 2 其中 A 是 n 阶对称正定矩阵。 (1) , d ( 2 ) ,, d ( k ) 是 一组A共轭向量。 d