共轭方向法和共轭梯度法

共轭方向法是介于最速下降法和Newton法之间的优化方法,提高了收敛速度并减少了计算量。文章介绍了共轭向量的概念,接着详细阐述了共轭方向法的基本思想和算法,特别讨论了在正定二次函数和非二次函数中的应用。共轭梯度法是共轭方向法的一种特例,首次迭代方向为负梯度方向,并在后续迭代中结合前向搜索方向。

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共轭方向法是介于最速下降法和Newton法之间的一种方法。克服了最速下降法的锯齿现象,从而提高了收敛速度;同时,共轭方向法的迭代公式比较简单,不必求目标函数的Hesse矩阵,比Newton法减少了计算量和存储量。是一种比较实用而且有效的方法。
在讲共轭方向法和共轭梯度法之前,先对共轭向量进行说明。

共轭向量及其性质

定义1:(共轭方向) Q n×n 对称正定矩阵,若 n 维向量空间中的非零向量 p0p1pm1 满足

pTiQpj=0     ij=01m1(ij)(1)
则称 p0p1pm1 Q 共轭向量或称向量 p0p1pm1 Q 共轭的(简称共轭),称 p0p1pm1 的方向是 Q 共轭方向
Q=I() 时,公式(1)变为
pTipj=0     ij=01m1(ij)(2)
即向量 p0p1pm1 互相正交。由此可见,正交是共轭的一种特殊情况,共轭是正交的推广。
定理1: 若非零向量 p0p1pm1 Q 共轭的,则他们是线性无关的。
推论1: 在n维的向量空间中,非零的共轭向量个数不超过n。
定义2: p0p1pm1 Rn 中线性无关向量, x0Rn ,那么由形式为
z=x0+i=0m1αipi    α1α2αm1
的向量构成的集合为由点 x0 和向量 p0p1pm1 所生成的 线性流行。记为 L[x0;p0,p1,,pm1]

基本思想

在考虑普通函数之前,我们首先用2元正定二次函数进行讲解。首先考虑如下的正定二次函数

f(x)=12xTQx+bTx+c(3)
要求的目标函数 f(x) 的最优值,根据最速下降法的思想,我们首先选定一个初始点 x0 ,然后沿着该点的最速下降方向 p0=f(x0) 做直线搜索,得到点 x1 ,由最速下降法的性质可知
f(x1)Tp0=0(4)
p0 与点 x1 出的等值线相切。
在第二次迭代过程中我们不适用 f(x1) 作为这次迭代的搜索方向,我们想直在第二次迭代之后能直接到达最优点 x ,那么这次的迭代方向 p1 应该满足什么条件呢?
首先根据迭代公式我们有
x=x1+t1p1(5)
其中t_1是最优步长因子,显然在未到达最优点 x 之前, t1 是不等于0的。对目标函数求梯度,有
f(x)=Qx+b(6)
对于极小点 x ,我们有
f(x)=Qx+b=0=Q(x1+t1p1)+b=Qx1+b+Qt1p1=f(x1)+Qt1p1=0
f(x1)+Qt1p1=0
在上式两边同乘以 pT0 ,由于公式(4),并且 t10 我们可以得到
pT0f(x1)+t1pT0Qp1=>t1p0Qp1==pT000(7)
由公式(7)我们知道, p0 p1 Q 的共轭向量。
现在我们假设
p1=f(
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