机器人中的数值优化之修正阻尼牛顿法

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本文ppt来自深蓝学院《机器人中的数值优化》

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1 Newton's Method

2 Pratical Newton's Method

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1 Newton's Method

当我们引入函数的二阶信息就考虑到了curvature info，这里先对函数进行泰勒展开，取二阶近似，对近似后的函数取最优解，通过梯度等于0得到一个等式

当函数是二次型时，近似没有起到效果，迭代的过程就是求解原函数最优解的过程，因此当然一次迭代就能得到最优解

这是利用牛顿法的一次迭代举例 

将牛顿法与最速下降法相比，牛顿法需要的迭代次数很少就能直达最优解，但是由于需要求解hessian矩阵的逆，导致，每一步的迭代时间有所增加 

但我们还需要注意牛顿法的适用条件是hessian矩阵正定，否则会出现上述两种情况，若半正定可能找不到最优解，若负定，将使迭代方向变成上升方向，因此我们必须保证迭代方向与负梯度方向成锐角

2 Pratical Newton's Method

当遇到hessian矩阵不是正定时，我们需要构造一个足够接近hessian的正定矩阵M

backtracking line search不需要梯度与hessian

首先M矩阵等于hessian矩阵加上一个单位阵乘上一个系数

对于对称正定线性方程组而言，可采用Cholesky分解或Bunch-Kaufman 分解对下降方向d进行快速求解。

假如函数为凸函数，M矩阵可以利用 cholesky 分解，将稠密的矩阵分解为上三角与下三角乘积，具体的数学推导请参考[数值计算] LU分解、LUP分解、Cholesky分解 - 知乎 (zhihu.com)

假如函数为非凸函数， M矩阵可以利用 Bunch-Kaufman 分解，具体的数学推导请参考LDLT分解法_百度百科 (baidu.com)