line search中的重要定理 - 梯度与方向的点积为零

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对精确的line search(线搜索),有一个重要的定理:

∇f(xk+αkdk)Tdk=0


这个定理表明,当前点在 dk 方向上移动到的那一点( xk+αkdk )处的梯度,与当前点的搜索方向 dk 的点积为零。

其中, αk 是称之为“步长”的一个实数,它是通过line search算法求出来的。

为什么会有这样的结论?我们来看看。
对每一个line search过程来说,搜索方向 dk 已经已经是确定的了(在最优化算法中,如何找出一个合适的 dk 不是line search干的事情)。所以,在一个确定的 dk 上,要找到一个合适的 αk ,使得 ϕ(α)=f(xk+αdk) 这个函数满足 f(xk+αkdk)<f(xk) ,这就是line search的目的。说白了,就是要找到 αk 使 ϕ(α) 的函数函数值变小。
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但是,要小到什么程度呢?假设小到有可能的“最小”,即:
ϕ(αk)=f(xk+αkdk)=minα>0f(xk+αdk)=minα>0ϕ(α)
那么,我们称这样的line search为“精确的line search”——你看,这名字好贴切:我们精确地找到了函数值最小的那个点。

既然 xk+αkdk 是函数值最小的那个点,那么,在该点处的一阶导数(即梯度)为零,所以我们对上式求导( α 是自变量, xk 和 dk 为常量):
ϕ′(αk)=[f(xk+αkdk)]′⋅(0+1⋅dk)=[f(xk+αkdk)]′dk=∇f(xk+αkdk)Tdk=0
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这就是我们前面说的定理了。

Numerical Optimization笔记--chapter3 Line Search Methods 本章主要内容以及思路: 线搜索是已经确定了下降方向p(k)后,确定合适的a(k)。使得函数在点x(k+1)=x(k)+a(k)*p(k)的函数值比在点x(k)的值要小。 合适的a(k)有两个条件:1. 保证函数收敛到最小点。2. 在有限步收敛。 1. 由此有两个经验条件wolf条件和Goldstein条件。 分别是两个子条件来保证a(k)的值不会过大也不会太小。 对于这个条件的可 阅读详情

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Savitch
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