基于区间压缩的无约束优化方法

问题形式:minf(x)

一、基本定义和概念

  1. 单峰函数:在[a_0,b_0]上存在唯一局部极小点的函数。
    性质1.1.1:对于单峰函数(以下都以局部极小点为例)的搜索区间,在搜索区间上任取两点,那么应当更新函数值更大的那个点所对应横坐标。

二、基于区间压缩的基本方法和思路

基于性质1.1,以下方法都是用来寻找极小区间然后逐渐逼近最优解。

2.1 黄金分割法(三分法)

每次分割的比例满足:1-2\rho = \rho(1 - \rho)

2.1.1方法和思路

每次截到占当前线段长度百分比为\rho=\frac{3-\sqrt 5}{2}的左右两个割点A、B,比较函数值,更新函数值较大的那一边(不妨设f(B)>f(A)),则更新右边界为[/,B],将另一边的割点作为新的右割点B,然后计算另一边的割点A,重复过程直到压缩比满足要求。
由黄金分割的性质:短区间和长区间之比等于长区间和整个区间的比值。

2.1.2压缩比(固定压缩比)

(1 - \rho)^N \approx (0.61803)^N

2.2 斐波那契法

满足每次分割的比例为:\rho_{k+1} = 1 -\frac{\rho_k}{1 - \rho_k},\rho_{k + 1}(1-\rho_k)=1-2\rho_k

2.2.1 方法和思路

几乎同黄金分割法

2.2.2 压缩比(动态压缩)

怎么求每一步的压缩比1-\rho_i?我们想解决如下优化问题:min \Pi_{i=1}^N (1-\rho_i),\\ s.t. \rho_{k + 1} = 1 - \frac{\rho_k}{1 - \rho_k},\\ 0\leq \rho_k \leq 1/2
给出结论:满足如下序列的解就是问题的最优解:\rho_i = 1 - \frac{F_{N+1- i}}{F_{N+2-i}}(i = 1,...,n){F_i}是斐波那契数列,F_{-1}=0, F_0=1。最优解为\frac{1}{F_{N+1}},为了避免最后迭代两个点重复的情况,在第N次迭代时,我们需要在第N次迭代的比例上加一个小小的扰动量\epsilon,压缩比就是(1 - (\rho_N-\epsilon))=1/2+\epsilon
,这意味着在最坏的情况下,斐波那契数列发的总压缩比为\frac{1+2\epsilon}{F_{N+1}}

2.3 二分法

略,利用迭代过程中区间中点的导数产生区间更新和迭代的方法。压缩比为(\frac{1}{2})^N,压缩比更小,压缩力度更大。

几种压缩区间优化方法使用对比

  1. 黄金分割法用的更多:Fibonacci法能获得最优的压缩比,但是实际应用中黄金分割法更简单易行,使用的也更多。
  2. 相同压缩比:当N趋于正无穷时,黄金分割法实际上和Fibonacci法有相同的压缩比。
  3. 一阶连续可微:二分法的特性,黄金分割法和斐波那契法都不要求原函数连续可微。
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