【文献阅读笔记】块坐标下降法的设计思想

本文探讨了块坐标下降法如何应用于联合无人机轨迹优化和发射功率控制,以提升端到端吞吐量。通过分解复杂目标函数,逐个子问题求解并迭代逼近全局最优解。算法详细解释了初始化、迭代过程和终止条件,以及参考文献提供深度理解。

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块坐标下降法( block coordinate descent )

块坐标下降法的应用场景是对于非凸问题进行优化。
块坐标下降法的解决思想是:在每次迭代的过程中,只针对一个变量进行优化求解,其余变量保持不变,然后交替求解。

下面举个例子
一、优化目标
联合无人机轨迹、无人机发射功率和源节点发射功率最大化端到端的吞吐量。
二、优化目标函数
因为优化变量相互耦合,求解的难度是很大的,因此需要对其进行处理,简化优化目标的求解。
三、算法设计思想
将原始的目标函数,分解为两个子问题,分别进行求解。对于每一个子问题的求解,都需要固定一部分参数。然后进行迭代求解,指导找到最佳的解。
下图是算法的伪代码
在这里插入图片描述
分析代码:
首先进行初始化,根据初始化条件进入迭代,这个内是初始化i=0时刻的位置和发射功率,同时需要满意值阈值;

然后进入迭代,每次迭代,分解出来的两个子问题需要重新计算,然后与前一次计算出的值进行比较。对于第一个子问题是固定位置,优化发射功率,得到局部的最优解;对于第二个子问题是固定发射功率,优化轨迹。

判断迭代结束条件:当计算出的结果差值的绝对值小于满意值阈值,就代表结果是满足我们要求的次优解。
设计程序
设计程序的时候,通常是使用while进行编写,思路如下:

kesai=1e-5;%满意值阈值
Lmax=1000:%最大迭代步数
while(cha<=kesai&&L<Lmax)
	...%对于子问题1求解
	...%对于子问题2求解
	...%计算结果差值
	...%步数+1
end

也就是说结果会逐渐趋近最佳值。
算法参考文献
UAV-Enabled Relay Communication Under Malicious Jamming: Joint Trajectory and Transmit Power Optimization

非凸优化问题的几种经典解法

<think>嗯,用户想了解如何在Matlab中实现交替优化算法。首先,我需要回忆一下交替优化(Alternating Optimization,AO)的基本概念。AO是一种将多变量优化问题分解为多个子问题,交替固定部分变量来优化另一部分变量的方法。常见的例子有坐标下降法和交替方向乘子法(ADMM)。不过用户提到的是交替优化算法,可能需要一个更通用的示例。 接下来,我应该考虑Matlab中如何实现这样的算法。根据用户提供的引用,特别是引用[2]提到Matlab的全局优化工具箱,但交替优化可能不需要这些工具箱,而是可以手动编写代码。不过可能需要用到优化函数如fmincon。 然后,我需要构造一个示例问题。比如,优化目标函数$f(x,y) = x^2 + y^2 + 2xy$,假设交替优化x和y。但可能更复杂的问题更合适,比如带约束的。例如,分块优化变量,每次固定一组变量优化另一组。 步骤部分需要详细说明:初始化变量,交替迭代,使用fmincon或其他求解器优化子问题,直到收敛。需要注意终止条件,如最大迭代次数或误差容限。 接着,代码部分要展示如何用Matlab实现。例如,定义目标函数为匿名函数,循环中使用fmincon交替优化x和y,并更新变量。要确保代码语法正确,并注释清楚。 可能遇到的问题包括如何设置初始值,如何处理约束条件,以及如何确保收敛。引用[3]提到处理约束的方法,如惩罚函数法,可能需要在子问题中应用。另外,引用[4]提到ADMM的应用,虽然ADMM是AO的一种,但用户可能需要更基础的AO示例。 最后,生成相关问题时要考虑用户可能进一步的需求,比如与其他算法的比较、收敛性分析、约束处理等,参考已有的引用内容来提出相关问题。</think>以下是在MATLAB中实现交替优化算法(Alternating Optimization)的详细步骤及示例: ### 一、交替优化算法原理 交替优化通过将多变量优化问题分解为子问题,交替固定部分变量优化另一部分变量。数学表达式为: $$ \min_{x,y} f(x,y) \Rightarrow \begin{cases} x^{(k+1)} = \arg\min_x f(x,y^{(k)}) \\ y^{(k+1)} = \arg\min_y f(x^{(k+1)},y) \end{cases} $$ ### 二、MATLAB实现步骤 1. **定义目标函数**:需支持变量分离 2. **初始化变量**:给定$x_0,y_0$初始值 3. **交替迭代**: - 固定$y$优化$x$ - 固定$x$优化$y$ 4. **设置终止条件**:最大迭代次数或误差容限 ### 三、示例:非凸函数优化 优化目标:$$ f(x,y) = (x-1)^4 + (y-2)^2 + x\cdot y $$ 约束条件:$x \in [-5,5], y \in [0,10]$ ```matlab % 定义目标函数(分变量形式) fun = @(z) (z(1)-1)^4 + (z(2)-2)^2 + z(1)*z(2); % 初始化参数 x_old = 0; y_old = 1; max_iter = 50; tolerance = 1e-6; % 存储优化过程 history = zeros(max_iter, 3); for iter = 1:max_iter % 优化x(固定y) options = optimoptions('fmincon','Display','none'); x_new = fmincon(@(x) fun([x, y_old]), x_old, [], [], [], [], -5, 5, [], options); % 优化y(固定x) y_new = fmincon(@(y) fun([x_new, y]), y_old, [], [], [], [], 0, 10, [], options); % 记录迭代过程 history(iter,:) = [x_new, y_new, fun([x_new,y_new])]; % 检查收敛条件 if norm([x_new - x_old, y_new - y_old]) < tolerance break; end % 更新变量 x_old = x_new; y_old = y_new; end % 结果可视化 figure; subplot(2,1,1) plot(history(1:iter,3),'-o') title('目标函数值收敛过程') subplot(2,1,2) plot(history(1:iter,1),'-r', history(1:iter,2),'-b') legend('x变量','y变量') title('变量迭代轨迹') ``` ### 四、关键改进技巧 1. **混合求解器**:在交替步骤中组合使用不同优化算法(如先模式搜索再梯度下降)[^2] 2. **自适应步长**:根据收敛情况动态调整优化器参数 3. **并行计算**:当子问题相互独立时可并行处理 4. **约束处理**:对复杂约束使用惩罚函数法(参考遗传算法的约束处理方法)[^3] ### 五、应用场景 1. 多能源系统协同优化(如电-热-气耦合系统)[^4] 2. 机器学习中的参数交替训练 3. 图像处理中的盲去卷积问题
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