【索引】Backtracking - Easy

本文提供了一份详细的算法竞赛入门指南,涵盖了从基础的暴力搜索到回溯法等多种算法类型。通过具体题目如“Where is the Marble?”、“Getting in Line”等介绍了每种算法的应用场景及解题思路。

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### Armijo型回溯规则的解释与实现 #### 背景介绍 优化算法中的线搜索方法用于决定目标函数下降方向上的步长。Armijo条件是一种常用的充分下降准则,它通过控制步长来确保每次迭代都能使目标函数值有一定程度的减少。 #### 条件定义 Armijo条件可以表示为: \[ f(x_k + \alpha p_k) \leq f(x_k) + c_1 \alpha \nabla f(x_k)^T p_k, \] 其中 \(f\) 是目标函数,\(x_k\) 是当前点,\(\alpha > 0\) 是步长,\(p_k\) 是搜索方向,而 \(c_1 \in (0, 1)\) 是一个小的正数[^1]。 此不等式的目的是保证新的点 \(x_{k+1} = x_k + \alpha p_k\) 的函数值相对于当前点有所降低,并且这种降低应至少达到由梯度和步长预测的比例。 #### 实现过程 以下是基于Python的一个简单实现: ```python def armijo_backtracking(f, grad_f, x, p, alpha=1.0, rho=0.5, c1=1e-4, max_iter=30): """ Implement the Armijo backtracking line search. Parameters: f (function): The objective function. grad_f (function): Gradient of the objective function. x (array-like): Current point. p (array-like): Search direction. alpha (float): Initial step size guess. rho (float): Reduction factor for step size. c1 (float): Sufficient decrease parameter. max_iter (int): Maximum number of iterations to perform. Returns: float: Step size satisfying the Armijo condition or None if not found within max_iter steps. """ fx = f(x) grad_fx = grad_f(x) for _ in range(max_iter): lhs = f(x + alpha * p) rhs = fx + c1 * alpha * np.dot(grad_fx, p) if lhs <= rhs: return alpha alpha *= rho return None ``` 上述代码实现了Armijo条件下的回溯法。初始设定一个较大的步长 `alpha` 并逐步缩小直到满足Armijo条件为止。如果经过一定次数仍无法找到合适的步长,则返回None作为警告。 #### 数学意义 该方法的核心在于利用一阶泰勒展开近似估计实际变化量,并通过参数调整使得每一步都朝着更优解迈进的同时保持计算效率较高。
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