技术标签: matlab # 运筹学与最优化算法 # matlab 优化算法
Matlab 2018b.
非线性优化算法主要有梯度类算法和牛顿法两大类,包括DFP方法,BFGS方法,约束变尺度(SQP)算法(Han, Powell)和Lagrange乘子法(Powell,Hestenes),随着计算机技术的发展,80年代出现了信赖域算法,稀疏拟牛顿法,大规模问题求解算法和并行计算算法,90年代出现了内点法和有限存储算法,目前免费的非线性求解软件包括LANCELOT
,MINPAC
,TENMIN
,SNOPT
等.
无约束优化的一般形式为
min f ( x ) , x ∈ R n \min f(x), x\in\mathbb{R}^n minf(x),x∈Rn
其中 f f f为非线性函数.
一个典型的非线性函数banana function
f ( x ) = 100 × ( x 2 − x 1 2 ) 2 − ( 1 − x 1 ) 2 f(x)=100\times(x_2-x_1^2)^2-(1-x_1)^2 f(x)=100×(x2−x12)2−(1−x1)2
函数图像绘制如下
绘图代码
%% Banana function
axis off;
x=-2:0.2:2;
y=-1:0.2:3;
[xx, yy]=meshgrid(x, y); % 网格化操作
zz=100*(yy-xx.^2).^2+(1-xx).^2;
% 绘制三维图
surfc(xx, yy, zz);
约束非线性优化的一般形式为
min f ( x ) s . t . { g i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , 2 , … , m h j ( x ) = 0 , j = 1 , 2 , … , l \min f(x)\\ s.t.\begin{cases} g_i(x)\leq 0, i=1, 2, \dots, m\\ h_j(x)=0, j=1,2 ,\dots, l \end{cases} minf(x)s.t.{
gi(x)≤0,i=1,2,…,mhj(x)=0,j=1,2,…,l
优化计算中需要使用函数的导数,如果用户没有提供目标函数的导数,那么matlab会采用差分方法计算函数的导数值.
函数语法:
x=fminunc(fun, x0)
x=fminunc(fun, x0, options)
[x, fval, exitflag, output, grad, hessian]=fminunc(...)
输出信息中
grad
表示最优点/迭代最终点的导数
hessian
表示最优点/迭代最终点的二阶导数
求解代码
clear all;
clc;
close all;
Bana_Func=@(x)(100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2);
options=optimset('display', 'iter');
x=[-1.9, 2];
[x, fval, exitflag, output]=fminunc(Bana_Func, x, options)
提供导数信息计算
目标函数及导函数
function [f, g]=BanaFuncGrad(x)
f=100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(2))^2;
g=[100*(4*x(1)^3-4*x(1)*x(2))+2*x(1)-2; 100*(2*x(2)-2*x(1)^2)];
求解函数
options=optimset('HessUpdate', 'bfgs', 'gradobj', 'on', 'display', 'iter');
x=[-1.9, 2];
[x, fval, exitflag, output]=fminunc(@BanaFuncGrad, x, options)
从求解信息中可以发现,提供目标函数的导函数信息会减少迭代次数.
fminsearch函数求解算法是可变多面体算法(Neldero-Mead Simplex)
函数语法
x=fminsearch(fun, x0)
x=fminsearch(fun, x0, options)
[x, fval, exitflag, output]=fminsearch(...)
目标函数文件BanaFunc.m
function f=BanaFunc(x)
f=100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2
求解函数
options=optimset('display', 'iter');
x=[-1.9, 2];
[x, fval, exitflag, output]=fminsearch(@BanaFunc, x, options)
fmincon
是matlab主要的内置约束最优化求解函数,该函数的求解的优化问题的主要形式为
min f ( x ) s . t . { c ( x ) ≤ 0 c e q ( x ) = 0 A ⋅ x ≤ b A e q ⋅ x = b e q l b ≤ x ≤ u b \min f(x)\\ s.t. \begin{cases} c(x)\leq 0\\ ceq(x)=0\\ A\cdot x\leq b\\ Aeq\cdot x=beq\\ lb\leq x\leq ub \end{cases} minf(x)s.t.⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧c(x)≤0ceq(x)=0A⋅x≤bAeq⋅x=beqlb≤x≤ub
对于中等约束优化问题,使用序列二次优化(SQP)算法,对于大规模约束优化使用基于内点反射牛顿法的信赖域算法,对于大规模线性系统使用共轭梯度算法(PCG).
例 1:求解优化问题
min f ( x ) = x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 s . t . { − x 1 − x 2 − x 3 + 72 ≤ 0 x i ≥ 0 \min f(x)=x_1^2+x_2^2+x_3^2\\ s.t. \begin{cases} -x_1-x_2-x_3+72\leq 0\\ x_i\geq 0 \end{cases} minf(x)=x12+x22+x32s.t.{
−x1−x2−x3+72≤0xi≥0
函数文件func_1.m
function f = func_1(x)
f=x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2;
约束文件con_1.m
function [c, ceq]=con_1(x)
c=72-x(1)-x(2)-x(3); % 不等式约束
ceq=[]; % 等式约束
求解函数
%% 非线性约束优化
options=optimset('display', 'iter');
x0=[10, 10, 10]; % 起始迭代点
lb=[0, 0, 0];
[x, fval, exitflag, output]=fmincon(@func_1, x0, [], [], [], [], lb, [], @con_1, options)
求解结果
测试大规模优化问题
min f = ∑ i = 1 100 [ x ( i ) − 1 i ] 2 \min f=\sum_{i=1}^{100}[x(i)-\frac{1}{i}]^2 minf=i=1∑100[x(i)−i1]2
目标函数文件func_2.m
function f=func_2(x)
v=x-1./(1:100);
f=v*v';
求解函数
%% 大规模优化
x0=1*ones(1,100);
options=optimset('LargeScale', 'on', 'display', 'iter', 'TolFun', 1e-8);
[x, fval, exitflag, output]=fminunc(@func_2, x0, options)
函数为
min x f ( x , a ) = a 1 sin ( x 1 ) + a 2 x 2 2 \min_x f(x, a)=a_1\sin(x_1)+a_2x_2^2 xminf(x,a)=a1sin(x1)+a2x22
参数函数文件为func_3.m
function f=func_3(x, a)
f=a(1)*sin(x(1))+a(2)*x(2)^2;
求解函数
%% 参数优化
a=[1, 1];
x0=[0, 0];
[x, fval, exitflag, output]=fminsearch(@(x)func_3(x, a), x0)
金融数量分析 北京航天航空大学出版社 郑志勇
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