吴立德《数值优化》(Numerical Optimization)视频学习笔记(二)

本文深入探讨无约束优化的核心概念,包括解的定义、条件及算法。解析多元函数泰勒公式、解的一阶与二阶条件,介绍迭代算法原理,讨论线性搜索与信赖域方法,详解牛顿方向、拟牛顿方向等高级技术。

二.无约束优化的基础

1.解的概念

(严格)全局解,(严格)局部解。

2.解的条件

(1)多元函数泰勒公式和中值定理
多元函数泰勒公式和中值定理
(2)解的一阶必要条件为一阶梯度等于0

解的一阶必要条件
(3)解的二阶必要条件为一阶等于0,二阶半正定(大于等于0)
解的二阶必要条件
(4)解的二阶充分条件为一阶等于0,二阶正定(大于0)
解的二阶充分条件
(5)凸函数场合
凸函数场合1

凸函数场合2

3.算法

(1)迭代算法:从一个初始点出发,如何构造到下一个更好的点(使得f变小,但是nonmonotone algorithm不要求每一步的f的变小,在几步之后变小就行),什么时候终止,最后如何收敛到解。
(2)一阶、二阶、直接算法,取决于用到的阶数。
(3)算法的收敛性:全局收敛的算法(任意初始点),局部收敛(初始点有条件),不要与解的收敛性混淆。
(4)收敛速度:线性收敛、超线性收敛、二次收敛(由慢到快),二次收敛在解的附近收敛得非常快。
(5)方法概述:线性搜索方法、信赖域方法。
方法概述
(6)线搜索方法:先选一个方向,然后选一个步长(方向可以随时调整)。选方向有最速下降方向、牛顿方向、拟牛顿方向和共轭梯度法。牛顿方向在二次函数时可以一步到位,由此猜测在一般情况下也比较好,但是这是一个二阶的方法,而且要求逆阵,计算量大。逆牛顿方向结合了一下,一般能达到超线性收敛。

最速下降方向:
最速下降方向
牛顿方向:
牛顿方向
拟牛顿方向:
拟牛顿方向
共轭梯度法:
共轭梯度法
(7)信赖域方法:在当前解附近构造一个模型函数mk来近似f。其基本思想是把最优化问题转化为一系列简单的局部寻优问题。

信赖域方法

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