【Matlab学习手记】拟牛顿型信頼域方法求解函数极值

本文介绍了一种使用拟牛顿法(BFGS)的信赖域方法来解决无约束优化问题的过程。通过一个简单的例子展示如何从一个远离全局极小值点的初始值出发,经过迭代最终收敛到该极小值点。

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信頼域子问题求解过程,包含Hessian矩阵计算啊,这里采用拟牛顿法(BFGS)来计算近似的Hessian矩阵。

    例子比较简单:

 f = 100*(x(1)^2 - x(2))^2 + (x(1) - 1)^2;

    很容易看出,此函数有唯一一个全局极小值点[1, 1],下面给出拟牛顿信頼域法的计算过程,给一个偏离很远的初始值[-100, 100],经过205次迭代收敛到[1, 1]。

  • 源码
function x = Opt_TrustRegionBFGS(x0, err, MaxIter)
%{
函数功能:BFGS信赖域方法求解无约束问题:  min f(x);
输入:
  x0:初始点;
  err:梯度误差阈值;
  MaxIter:最大迭代次数;
输出:
  x:最小值点;
调用格式:
clear; clc;
x = Opt_TrustRegionBFGS([-100 100]', 1e-5, 1000)
%}
eta1 = 0.25;  
eta2 = 0.75;
tau1 = 0.5;  
tau2 = 2;
delta = 1; 
x = x0;
n = length(x0);
Bk = eye(n);   % 初始 Hessian 矩阵
k = 0;
while k < MaxIter 
    fk = fun(x);
    gk = gfun(x);
    if norm(gk) < err 
        disp(k);
        break;
    end
    % 调用子程序 Trust_q
    [d, val] = Trust_q(fk, gk, Bk, delta);
    dq = fk - val;
    df = fun(x) - fun(x + d);
    rk = df/dq;
    if rk <= eta1 
        delta = tau1*delta;
    elseif rk >= eta2 && norm(d) == delta 
            delta = tau2*delta;
    end
    if rk > eta1 
        x = x + d;
        dx = d;                % 迭代点差值
        dg = gfun(x) - gk;       % 梯度差值
        if dg'*dx > 0 
            Bk = Bk - (Bk*(dx*dx')*Bk)/(dx'*Bk*dx) + (dg*dg')/(dg'*dx);     % Hesse矩阵更新
        end
    end
    k = k+1;
end

function [d, val] = Trust_q(fk, gk, Bk, deltak)
%{
  函数功能: 求解信赖域子问题:
          min qk(d)=fk+gk'*d+0.5*d'*Bk*d, s.t.||d|| <= delta
输入: 
  fk:xk处的目标函数值;
  gk:xk处的梯度;
  Bk:近似Hesse阵;
  delta:当前信赖域半径
输出: 
  d:最优值;
  val:最优值
%}
n = length(gk);
rho = 0.6;
sigma = 0.2;
mu0 = 0.05;
lam0 = 0.05;
gamma = 0.05;
epsilon = 1e-6;
d0 = ones(n, 1);
zbar = [mu0, zeros(1, n + 1)]';
i = 0;
mu = mu0;
lam = lam0;
d = d0;
while i <= 150
    H = dah(mu, lam, d, gk, Bk, deltak);
    if norm(H) <= epsilon
        break;
    end
    J = JacobiH(mu, lam, d, Bk, deltak);
    b = psi(mu, lam, d, gk, Bk, deltak, gamma)*zbar - H;
    dz = J\b;
    dmu = dz(1); 
    dlam = dz(2); 
    dd = dz(3 : n + 2);
    m = 0; 
    mi = 0;
    while m < 20
        t1 = rho^m;
        Hnew = dah(mu + t1*dmu, lam + t1*dlam, d + t1*dd, gk, Bk, deltak);
        if norm(Hnew) <= (1 - sigma*(1 - gamma*mu0)*rho^m)*norm(H) 
            mi = m; 
            break;
        end
        m = m+1;
    end
    alpha = rho^mi;
    mu = mu + alpha*dmu;
    lam = lam + alpha*dlam;
    d = d + alpha*dd;
    i = i + 1;
end
val = fk + gk'*d + 0.5*d'*Bk*d;

function p = phi(mu, a, b)
p = a + b - sqrt((a - b)^2 + 4*mu^2);

function H = dah(mu, lam, d, gk, Bk, deltak)
n = length(d);
H = zeros(n + 2, 1);
H(1) = mu;
H(2) = phi(mu, lam, deltak^2 - norm(d)^2);
H(3 : n + 2) = (Bk + lam*eye(n))*d + gk;

function J = JacobiH(mu, lam, d, Bk, deltak)
n = length(d);
t2 = sqrt((lam + norm(d)^2 - deltak^2)^2 + 4*mu^2);
pmu = -4*mu/t2;
thetak = (lam + norm(d)^2 - deltak^2)/t2;
J=[1,                0,               zeros(1, n);
    pmu,            1 - thetak,  -2*(1 + thetak)*d';
    zeros(n, 1),  d,               Bk + lam*eye(n)];

function si = psi(mu, lam, d, gk, Bk, deltak, gamma)
H = dah(mu, lam, d, gk, Bk, deltak);
si = gamma*norm(H)*min(1, norm(H));

function f = fun(x)
f = 100*(x(1)^2 - x(2))^2 + (x(1) - 1)^2;

function gf = gfun(x)
gf = [400*x(1)*(x(1)^2 - x(2)) + 2*(x(1) - 1);
         -200*(x(1)^2 - x(2))];

 

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