Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Гл 1_ 1.3.doc
Скачиваний:
15
Добавлен:
27.04.2019
Размер:
2.04 Mб
Скачать

Градиентный подход поиска локального минимума функции нескольких переменных

Пусть требуется отыскать такую точку в которой целевая функция достигает локального минимума.

Д опустим, что – заданный исходный вектор и – антиградиент функции y(x), соответствующий вектору рис. 1.25.

Вектор выберем так, что

, , (1.98)

где – некоторая неотрицательная константа, которая регулирует величину шага в направлении антиградиента .

В скалярной форме выражение (1.98) записывается в виде

;

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1.99)

.

Д опустим, что константа задана, тогда имеется возможность c помощью соотношения (1.98) построить некоторую последовательность точек , которая, вообще говоря, может привести к точке минимума , рис. 1.26. На этом рисунке с помощью линий уровня воссоздается рельеф целевой функции .

Задавая константу , следует помнить, что при малых процесс продвижения от точки в окрестность точки будет весьма медленным, а при больших имеется опасность получить неустойчивую последовательность точек .

Замечание. Компоненты градиента можно находить численными методами, вычисляя их, например, по следующим формулам (n=2)

;

,

где и – некоторые малые приращения, k – номер итерации.

Процесс вычислений заканчивается, как только

,

где – некоторое малое число, т.е. вычисление прекращается в том случае, когда расстояние точки от точки станет меньше наперед заданного числа .

Пример. Пусть , . Тогда

.

Зададим . В таком случае, согласно (1.99) на первом шаге поиска имеем:

; ,

т.е. ; .

При k = 2

; ,

т.е.

;

и т.д. Заметить, что , при , что и должно быть, т.к. целевая функция в начале координат имеет локальный минимум.

Если вместо взять , то получим расходящуюся последовательность точек ,… .

Рассмотрим некоторые разновидности градиентного метода.

Метод наискорейшего спуска

Переход от предыдущей точки к последующей по методу наискорейшего спуска осуществляется так, что

, . (1.100)

В этом выражении константа на каждом шаге (переход от к ) выбирается так, чтобы целевая функция

в направлении антиградиента достигла минимума (произойти это должно в точке ). В частности, требуемое значение можно найти, как решение уравнения

. (1.101)

В координатной форме векторному уравнению (1.100) соответствует система уравнений

, . (1.102)

Покажем, что векторы , – ортогональны. Действительно, в точке целевая функция , где для имеют место выражения (1.102). В таком случае согласно (1.101)

а это означает, что .

Рассмотрим геометрическую интерпретацию метода наискорейшего спуска.

П усть целевая функция имеет такой рельеф, как это с помощью линий уровня показано на рис. 1.27. На этом рисунке воспроизводится траектория поиска точки .

Пример. Пусть , .

Как и в предыдущем примере

.

k =0: Согласно (1.102)

, . (1.103)

В таком случае целевая функция

. (1.104)

Уравнение (1.101) запишется как

.

Заметим, что найденное значение обеспечивает целевой функции (1.104) минимум в силу положительности второй производной:

.

Согласно (1.103), при , .

Точка минимума достигнута за один шаг. Правда, так бывает далеко не всегда.

Заметим в заключение, что оптимальное значение на каждом шаге для функции может быть найдено одним из численных методов – дихотомии, золотого сечения и т.п.