Сопряженные градиенты. Методы сопряженных градиентов

В предыдущих подразделах рассматривались методы Коши и Ньютона. Отмечалось, что метод Коши эффективен при поиске на значительных расстояниях от точки минимума х* и плохо «работает» в окрестности этой точки, тогда как метод Ньютона не отличается высокой надежностью при поиске х* из удаленной точки, однако оказывается весьма эффективным в тех случаях, когда x (k) находится вблизи точки минимума. В этом и последующих подраз­делах рассматриваются методы, которые обладают положительны­ми свойствами методов Коши и Ньютона и основаны на вычислении значений только первых производных. Таким образом, эти методы, с одной стороны, отличаются высокой надежностью при поиске х* из удаленной точки х* и, с другой стороны, быстро сходятся в окрестности точки минимума.

Методы, позволяющие получать решения задач с квадратичными целевыми функциями приблизительно за N шагов при условии использования недесятичных дробей, будем называть квадратично сходящимися. Среди таких методов можно выделить класс алгоритмов, в основе которых лежит построение сопряженных направлений. Выше было сформулировано условие сопряженности для системы направлений s (k) , k = 1, 2, 3,…, r ≤ N, и симметрической матрицы С порядка N N. Была также установлена связь между построением указанных направлений и преобразованием произвольной квадратичной функции к виду суммы полных

1) Задачи такого типа возникают, например, в регрессионном анализе - Прим. перев.

квадратов; сделан вывод о том, что последовательный поиск вдоль каждого из N направлений, обладающих свойством С -сопряженности, позволяет найти точку минимума квадратичной функции N переменных. Рассмотрена процедура определения системы сопряженных направлений с использованием только значений целевой функции. Ниже для получения сопряженных направлений применяются квадратичная аппроксимация f(x) и значения компонент градиента. Кроме того, потребуем, чтобы рассматриваемые методы обеспечивали убывание целевой функции при переходе от итерации к итерации.

Пусть в пространстве управляемых переменных заданы две произвольные несовпадающие точки x (0) и x (1) . Градиент квадратичной функции равен

f(x) = q(x) = C x + b = g(x) (3.60)

Обозначение g(x) введено здесь для удобства записи формулы. Таким образом,

g (x (0)) = C x (0) + b ,

g (x (1)) = C x (1) + b .

Запишем изменение градиента при переходе от точки х (0) к точке х (1) :

g(x) = g (x (1)) – g (x (0)) = C (x (1) - x (0)), (3.61)

g(x) = C x

Равенство (3.61) выражает свойство квадратичных функций, которое будет использовано ниже.

В 1952 г. Эстенс и Штифель предложили эффективный итерационный алгоритм для решения систем линейных уравнений, который по существу представлял собой метод сопряженных градиентов. Они рассматривали левые части линейных уравнений как компоненты градиента квадратичной функции и решали задачу минимизации этой функции. Позже Флетчер и Ривс обосновали квадратичную сходимость метода и обобщили его для случая неквадратичных функций. Фрид и Метцлер продемонстрировали (допустив, однако, некоторые неточности) возможности использования метода для решения линейных систем с разреженной матрицей коэффициентов. (Определение разреженной матрицы см. в приложении А.) Они подчеркнули простоту реализации метода по сравнению с другими, более общими алгоритмами, что является особенно важной характеристикой с позиций нашего изложения.

Рассмотрение метода будем проводить в предположении, что "целевая функция является квадратичной:

f(x) = q(x) = a + b T x + ½ x T C x ,

аитерации проводятся по формуле (3.42), т.е.

x = x + α s(x ) .

Направления поиска на каждой итерации определяются с помощью следующих формул:

s (k) = – g (k) + (3.62)

s (0) = –g (0) , (3.63)

где g (k) = f (x ). Так как после определения системы направлений проводится последовательный поиск вдоль каждого из направлений, полезно напомнить, что в качестве критерия окончания одномерного поиска обычно используется условие

f (x ) T s (k) = 0 (3.64)

Значения , i = 1, 2, 3,...,k - 1 ,выбираются таким образом, чтобы направление s (k) было С -сопряжено со всеми построенными ранее направлениями поиска. Рассмотрим первое направление

s (1) = –g (1) + γ (0) s (0) = –g (1) –γ (0) g (0)

и наложим условие его сопряженности с s (0)

s (1)T C s (0) = 0,

откуда T C s (0) = 0.

На начальной итерации

s (0) = ;

следовательно,

T C = 0

Используя свойство квадратичных функций (3.61), получаем

T g = 0, (3.65)

γ (0) = – ( g T g (1))/( g T g (0)). (3.66)

Из уравнения (3.65) следует, что

g (1)T g (1) + γ (0) g (0)T g (1) – g (1) T g (0) – γ (0) g (0)T g (0) = 0.

При соответствующем выборе α (0) и с учетом формулы (3.64) имеем

g (1) T g (0) = 0.

Таким образом,

s (2) = –g (2) + γ (0) s (0) + γ (1) s (1) .

и выберем γ (0) γ (1) таким образом, чтобы выполнялись условия

s (2) T C s (0) = 0 и s (2) C s (1) = 0,

т. е. условия С -сопряженности направления s (2) с направлениями s (0) и s (1) . С помощью формул (3.61) и (3.64) можно показать (это предоставляется читателю в качестве упражнения), что здесь γ (0) = 0, а в общем случае γ ( i ) = 0, i = 0, 1, 2,...,k-2, при любом значении k. Отсюда следует, что общая формула для направлений поиска может быть записана в виде, предложенном Флетчером и Ривсом:

s (k ) = –g (k ) + s (3.68)

Если f(x) - квадратичная функция, для нахождения точки минимума требуется определить N -1 таких направлений и провести N поисков вдоль прямой (при отсутствии ошибок округления). Если же функция f(х) не является квадратичной, количество направлений и соответствующих поисков возрастает.

Некоторые исследователи на основе опыта проведения вычислительных экспериментов предлагают после реализации каждой серии из N или N + 1 шагов возвращаться к начальной итерации алгоритма, положив s(x) = -g(x). Это предложение остается предметом для изучения, поскольку при минимизации функций общего вида в ряде случаев влечет за собой замедление сходимости. С другой стороны, циклические переходы к начальной итерации повы­шают надежность алгоритма, так как вероятность построения линейно зависимых направлений уменьшается. Если полученное на­правление оказывается линейной комбинацией одного или нескольких полученных ранее направлений, то метод может не привести к получению решения, поскольку поиск в соответствующем подпространстве R N уже проводился. Однако следует отметить, что на практике такие ситуации встречаются достаточно редко. Метод оказывается весьма эффективным при решении практических задач, характеризуется простотой однопараметрической вычислительной схемы и небольшим объемом памяти ЭВМ, необходимым для проведения поиска. Относительно невысокий уровень требований к объему памяти ЭВМ делает метод Флетчера - Ривса (ФР) и его модификации особенно полезным при решении задач большой размерности.

Пример 3.9. Метод Флетчера - Ривса

Найти точку минимума функции

f(x) = 4x + 3x – 4x x + x

если x = T .

Шаг 1. f(x) = T ,

s (0) = – f (x (0)) = – T .

Шаг 2.Поиск вдоль прямой:

x = x – α f (x (0)) → α = ⅛,

x = T – ⅛ T = [– ⅛, 0] T

Шаг 3.k = 1.

s (1) = – T – [¼, 1] T = [– ¼, ½] T .

Шаг 4.Поиск вдоль прямой:

x = x + α s (1) → α = ¼,

x = [– ⅛, 0] T – ¼ [¼, ½] T = [– , ] T ,

f (x (2)) = T .

Таким образом, x = х*. Решение получено в результате проведения двух одномерных поисков, поскольку целевая функция квадратичная, а ошибки округления отсутствуют.

Миль и Кентрелл обобщили подход Флетчера и Ривса, предложив формулу

x = x + α {– f (x (k )) + γ s (x )} (3.69)

где α и γ - параметры, значения которых определяются на каждой итерации. Этот метод, известный как градиентный метод с памятью ,очень эффективен по числу необходимых для решения задачи итераций, но требует большего количества вычислений зна­чений функции и компонент градиента, чем метод Флетчера - Ривса. Поэтому алгоритм Миля и Кентрелла оказывается полезным лишь в тех случаях, когда оценивание значений целевой функции и компонент градиента не связано с какими-либо трудностями.

Напомним, что рассмотрение метода Флетчера - Ривса прово­дилось в предположении квадратичности целевой функции и отсутствия ошибок округления в процессе поиска вдоль прямой. Од­нако при реализации ряда методов сопряженные направления определяются без учета одного из указанных предположений (или даже обоих предположений). Среди таких методов наибольшего внима­ния, по-видимому, заслуживает метод, разработанный Ползком и Рибьером в 1969 г. Метод основан на точной процедуре проведения поиска вдоль прямой и на более общем предположении об аппроксимации целевой функции. При этом

γ = , (3.70)

где, как и прежде,

g (x )= g (x ) – g (x ). (3.71)

Если α - параметр, значение которого определяется в результате поиска вдоль прямой, и γ - параметр, значение которого вычисляется по формуле (3.70), то метод сопряженных градиентов Полака - Рибьера реализуется с помощью следующих соотношений:

x = x + α s (x ),

s (x ) = – f (x ) + γ s (x ). (3.72)

Легко видеть, что единственное различие между методами Полака - Рибьера и Флетчера - Ривса заключается в способах выбора параметра γ.

Известны и другие подобные методы, которые также основаны на проведении точных вычислений при одномерном поиске и на более общей (чем квадратичная) аппроксимации целевой функции (см., например, ). Краудер и Вульф в 1972 г., а затем Пауэлл доказали, что методы сопряженных градиентов обладают линейной скоростью сходимости при отсутствии периодического возврата к начальной итерации. Указанные возвраты осуществляются в соответствии со специальной процедурой, которая прерывает процесс построения векторов направлений поиска, а далее вычисления продолжаются по аналогии с построением s (x (0)). Выше отмечалось, что по ряду причин наличие процедуры возврата к начальной итерации повышает устойчивость работы алгоритма, так как позволяет избежать построения линейно зависимых векторов направлений поиска. Пауэлл доказал, что метод Полака - Рибьера также характеризуется линейной скоростью сходимости при отсутствии возвратов к начальной итерации, однако имеет несомненное преимущество перед методом Флетчера - Ривса при решении задач с целевыми функциями общего вида и обладает менее высокой чувствительностью к ошибкам округления при проведении одномерных поисков.

Вопросы разработки эффективных процедур и методов, обеспечивающих возврат к начальной итерации и при этом обладающих малой чувствительностью к ошибкам округления, остаются предметом активных исследований. Бил предложил метод сопряженных градиентов, аналогичный стандартной процедуре Флетчера - Ривса, но вместе с тем не использующий направление вдоль градиента при возвращении к начальной итерации. Он показал, как на основе анализа направления, полученного непосредственно перед возвращением к начальной итерации, можно уменьшить объем необходимых вычислений при решении задач, требующих нескольких возвратов. Пауэлл исследовал стратегию Била, а также другие стратегии возврата к начальной итерации и предложил использовать процедуру возврата либо после проведения каждой серии из N шагов, либо при выполнении неравенства

| g (x ) T g (x ) | ≥ 0.2 ||g (x )|| . (3.73)

Он продемонстрировал, что стратегию Била, дополненную услови­ем (3.73), можно успешно применять как вместе с формулой Флет­чера - Ривса, так и с формулой Полака - Рибьера, и провел ряд вычислительных экспериментов, результаты которых подтверж­дают превосходство метода Полака - Рибьера (с возвратом). Шэнно исследовал влияние ошибок округления при проведе­нии поисков вдоль прямой и различных стратегий возврата на эффективность методов сопряженных градиентов. Он показал, что стратегия Била (с использованием соответствующей двухпараметрической формулы), дополненная предложенным Пауэллом усло­вием возврата, приводит к существенному уменьшению требуемой точности одномерного поиска и, следовательно, к значительному повышению эффективности полной вычислительной схемы метода сопряженных градиентов. Шэнно также представил численные ре­зультаты, которые указывают на преимущество метода Полака - Рибьера с использованием процедур возврата и округления при поисках вдоль прямой. В работе продемонстрирована ведущая роль методов сопряженных градиентов при решении задач нелиней­ного программирования большой размерности.

Квазиньютоновские методы

Эти методы подобны методам, рассмотренным в подразд. 3.3.5, поскольку также основаны на свойствах квадратичных функций. В соответствии с изложенными выше методами поиск решения осуществляется по системе сопряженных направлений, тогда как квазиньютоновские методы обладают положительными чертами метода Ньютона, однако используют только первые производные. Во всех методах указанного класса построение векторов направлений поиска осуществляется с помощью формулы (3.42), в которой s (x (k))записывается в виде

s (x ) = –A f (x ), (3.74)

где A - матрица порядка N N, которая носит название метрики. Методы поиска вдоль направлений, определяемых этой формулой, называются методами переменной метрики, поскольку матрица А изменяется на каждой итерации. Более точно метод переменной метрики представляет собой квазиньютоновский метод, если в соответствии с ним перемещение пробной точки удовлетворяет следующему условию:

x = C g . (3.75)

К сожалению, в специальной литературе не выработаны единые и твердые рекомендации по использованию приведенных выше терминов ; мы будем считать их взаимозаменяемыми, поскольку они несут одинаково важную информацию об особенностях разработки и реализации рассматриваемых методов.

Для аппроксимации матрицы, обратной матрице Гессе, воспользуемся следующим рекуррентным соотношением:

A = A + A (3.76)

где A - корректирующая матрица. Матрица A будет использоваться в формулах (3.74) и (3.42). Задача заключается в том, чтобы построить матрицу A таким образом, чтобы последовательность А (0) , А (1) , А (2) ,...,A (k +1) давала приближение к Н -1 = f (x *) -1 ; при этом для получения решения х* требуется один дополнительный поиск вдоль прямой, если f(x) - квадратичная функция. Как неоднократно подчеркивалось выше, имеются определенные основания полагать, что метод, обеспечивающий нахождение оптимумов квадратичных функций, может привести к успеху при решении задач с нелинейными целевыми функциями общего вида.

Вернемся к важному свойству квадратичных функций (3.75) и предположим, что матрица С -1 аппроксимируется по формуле

С -1 = βA , (3.77)

где р - скалярная величина. Наиболее предпочтительным является приближение, удовлетворяющее (3.75), т. е.

x = A g . (3.78)

Однако ясно, что построить такую аппроксимацию невозможно, поскольку для того, чтобы найти g , необходимо знать матрицу A . Здесь используются следующие обозначения:

x = x – x , (3.79)

g = g (x ) – g (x ). (3.80)

С другой стороны, можно потребовать, чтобы новое приближение удовлетворяло формуле (3.75):

x = βA g . (3.81)

Подставляя выражение (3.76) в (3.81), получаем

A g = x – A g . (3.82)

С помощью непосредственной подстановки можно убедиться, что матрица

A = – (3.83)

является решением этого уравнения. Здесь у и z - произвольные векторы, т. е. формула (3.83) определяет некоторое семейство решений. Если положить

y = x и z =A g , (3.84)

то получим формулу, реализующую известный и широко приме­няемый метод Дэвидона - Флетчера - Пауэлла (ДФП) :

A = A + – . (3.85)

Можно показать, что эта рекуррентная формула сохраняет свойства симметрии и положительной определенности матриц. Поэтому если А (0) симметрическая положительно определенная матрица,то матрицы А (1) , А (2) , ... также оказываются симметрическими и положительно определенными при отсутствии ошибок округления; обычно удобно выбирать А (0) = I .

Первая вариация f(x) равна

f(x) = f (x ) x . (3.86)

Используя формулы (3.42) и (3.74), получаем

f(x) = f (x ) α A f (x ), (3.87)

f(x) = – α f (x ) A f (x ), (3.88)

и неравенство f (x (k +1) ) < f (x k ) выполняется при любых значениях α > 0, если A - положительно определенная матрица. Таким образом, алгоритм обеспечивает убывание целевой функции при переходе от итерации к итерации. Метод Дэвидона - Флетчера - Пауэлла в течение ряда лет продолжает оставаться наиболее широко используемым градиентным методом. Он отличается устойчивостью и успешно применяется при решении самых различных задач, возникающих на практике. Основным недостатком методов такого типа является необходимость хранить в памяти ЭВМ матрицу А порядка N N.

Градиентные методы, базирующиеся только на вычислении градиента R (x ), являются методами первого порядка, так как на интервале шага они заменяют нелинейную функцию R (x ) линейной.

Более эффективными могут быть методы второго порядка, которые используют при вычислении не только первые, но и вторые производные от R (x ) в текущей точке. Однако у этих методов есть свои труднорешаемые проблемы – вычисление вторых производных в точке, к тому же вдали от оптимума матрица вторых производных может быть плохо обусловлена.

Метод сопряженных градиентов является попыткой объединить достоинства методов первого и второго порядка с исключением их недостатков. На начальных этапах (вдали от оптимума) метод ведет себя как метод первого порядка, а в окрестностях оптимума приближается к методам второго порядка.

Первый шаг аналогичен первому шагу метода наискорейшего спуска, второй и следующий шаги выбираются каждый раз в направлении, образуемом в виде линейной комбинации векторов градиента в данной точке и предшествующего направления.

Алгоритм метода можно записать следующим образом (в векторной форме):

x 1 = x 0 – h grad R(x 0),

x i+1 = x i – h .

Величина α может быть приближенно найдена из выражения

Алгоритм работает следующим образом. Из начальной точки х 0 ищут minR (x ) в направлении градиента (методом наискорейшего спуска), затем, начиная с найденной точки и далее, направление поиска min определяется по второму выражению. Поиск минимума по направлению может осуществляться любым способом: можно использовать метод последовательного сканирования без коррекции шага сканирования при переходе минимума, поэтому точность достижения минимума по направлению зависит от величины шага h .

Для квадратичной функции R (x ) решение может быть найдено за п шагов (п – размерность задачи). Для других функций поиск будет медленнее, а в ряде случаев может вообще не достигнуть оптимума вследствие сильного влияния вычислительных ошибок.

Одна из возможных траекторий поиска минимума двумерной функции методом сопряженных градиентов приведена на рис. 1.

Алгоритм метода сопряжённых градиентов для поиска минимума.

Начальный этап. Выполнение градиентного метода.

Задаём начальное приближение x 1 0 , х 2 0 . Определяем значение критерия R (x 1 0 , х 2 0). Положить k = 0 и перейти к шагу 1 начального этапа.

Шаг 1. и
.

Шаг 2. Если модуль градиента

Шаг 3.

x k+1 = x k – h grad R (x k)).

Шаг 4. R (x 1 k +1 , х 2 k +1). Если R (x 1 k +1 , х 2 k +1) < R (x 1 k , х 2 k), то положить k = k+1 и перейти к шагу 3. Если R (x 1 k +1 , х 2 k +1) ≥ R (x 1 k , х 2 k), то перейти к основному этапу.

Основной этап.

Шаг 1. Вычислить R(x 1 k + g, x 2 k), R(x 1 k – g, x 2 k), R(x 1 k , x 2 k + g), R(x 1 k , x 2 k). В соответствии с алгоритмом с центральной или парной пробы вычислить значение частных производных и . Вычислить значение модуля градиента
.

Шаг 2. Если модуль градиента
, то расчёт остановить, а точкой оптимума считать точку (x 1 k , x 2 k). В противном случае перейти к шагу 3.

Шаг 3. Вычислить коэффициент α в соответствии с формулой:

Шаг 4. Выполнить рабочий шаг, рассчитав по формуле

x k+1 = x k – h .

Шаг 5. Определить значение критерия R (x 1 k +1 , х 2 k +1). Положить k = k+1 и перейти к шагу 1.

Пример.

Для сравнения рассмотрим решение предыдущего примера. Первый шаг делаем по методу наискорейшего спуска (табл. 5).

Таблица 5

Найдена наилучшая точка. Вычисляем производные в этой точке: dR / dx 1 = –2.908; dR / dx 2 =1.600; вычисляем коэффициент α, учитывающий влияние градиента в предыдущей точке: α = 3,31920 ∙ 3,3192/8,3104 2 =0,160. Делаем рабочий шаг в соответствии с алгоритмом метода, получаем х 1 = 0,502, х 2 = 1,368. Далее все повторяется аналогично. Ниже, в табл. 6 приведены текущие координаты поиска следующих шагов.

Таблица 6

Введение

Метод сопряжённых градиентов - итерационный метод для безусловной оптимизации в многомерном пространстве. Основным достоинством метода является то, что он решает квадратичную задачу оптимизации за конечное число шагов. Поэтому, сначала описывается метод сопряжённых градиентов для оптимизации квадратичного функционала, выводятся итерационные формулы, приводятся оценки скорости сходимости. После этого показывается, как метод сопряжённых обобщается для оптимизации произвольного функционала, рассматриваются различные варианты метода, обсуждается сходимость.

Постановка задачи оптимизации

Пусть задано множество и на этом множестве определена целевая функция (objective function ) . Задача оптимизации состоит в нахождении на множестве точной верхней или точной нижней грани целевой функции .
Множество точек, на которых достигается нижняя грань целевой функции обозначается .

Если , то задача оптимизации называется безусловной (unconstrained ). Если , то задача оптимизации называется условной (constrained ).

Метод сопряжённых градиентов для квадратичного функционала

Изложение метода

Рассмотрим следующую задачу оптимизации:

Здесь - симметричная положительно определённая матрица размера . Такая задача оптимизации называется квадратичной. Заметим, что . Условие экстремума функции эквивалентно системе Функция достигает своей нижней грани в единственной точке , определяемой уравнением . Таким образом, данная задача оптимизации сводится к решению системы линейных уравнений
Идея метода сопряжённых градиентов состоит в следующем:
Пусть - базис в . Тогда для любой точки вектор раскладывается по базису Таким образом, представимо в виде

Каждое следующее приближение вычисляется по формуле:

Определение. Два вектора и называются сопряжёнными относительно симметричной матрицы B, если

Опишем способ построения базиса в методе сопряжённых градиентов В качестве начального приближения выбираем произвольный вектор. На каждой итерации выбираются по правилу:

Базисные вектора вычисляются по формулам:

Коэффициенты выбираются так, чтобы векторы и были сопряжёнными относительно А.

Если обозначить за , то после нескольких упрощений получим окончательные формулы, используемые при применении метода сопряжённых градиентов на практике:

Анализ метода

Для метода сопряжённых градиентов справедлива следующая теорема:
Теорема Пусть , где - симметричная положительно определённая матрица размера . Тогда метод сопряжённых градиентов сходится не более чем за шагов и справедливы следующие соотношения:

Сходимость метода

Если все вычисления точные, и исходные данные точны то метод сходится к решению системы не более чем за итераций, где - размерность системы. Более тонкий анализ показывает, что число итераций не превышает , где - число различных собственных значений матрицы A. Для оценки скорости сходимости верна следующая (довольно грубая) оценка:

, где

Она позволяет оценить скорость сходимости, если известны оценки для максимального и минимального собственных значений матрицы На практике чаще всего используют следующий критерий останова:

.

Вычислительная сложность

На каждой итерации метода выполняется операций. Такое количество операций требуется для вычисления произведения - это самая трудоёмкая процедура на каждой итерации. Отальные вычисления требуют O(n) операций. Суммарная вычислительная сложность метода не превышает - так как число итераций не больше n.

Численный пример

Применим метод сопряжённых градиентов для решения системы , где

C помощью метода сопряжённых градиентов решение этой системы получается за две итерации. Собственные числа матрицы - 5, 5, -5 - среди них два различных, поэтому, согласно теоретической оценке число итераций не могло превышать двух

Заключение

Метод сопряжённых градиентов - один из наиболее эффективных методов решения СЛАУ с положительно определённой матрицей. Метод гарантирует сходимость за конечное число шагов, а нужная точность может быть достигнута значительно раньше. Основная проблема заключается в том, что из-за накопления погрешностей может нарушаться ортогональность базисных веторов , что ухудшает сходимость

Метод сопряжённых градиентов в общем случае

Расссмотрим теперь модификацию метода сопряжённых градиентов для случая, когда минимизируемый функционал не является квадратичным: Будем решать задачу:

.

Непрерывно дифференцируемая в функция. Чтобы модифицировать метод сопряжённых градиентов для решения этой задачи необходимо получить для формулы, в которые не входит матрица А:

Можно вычислять по одной из трёх формул:

Если функция - квадратичная и строго выпуклая, то все три формулы дают одинаковый результат. Если - произвольная функция, то каждой из формул cоответствует своя модификация метода сопряжённых градиентов. Третья формула используется редко, так как она требует, чтобы функция и вычисления гессиана функции на каждом шаге метода.

Анализ метода

Если функция - не квадратичная, метод сопряжённых градиентов может и не сходиться за конечное число шагов. Кроме того, точное вычисление на каждом шаге возможно только в редких случаях. Поэтому накопление погрешностей приводит к тому, что вектора перестают указывать направление убывания функции . Тогда на каком-то шаге полагают . Совокупность всех номеров , при которых принимается , обозначим за . Номера называются моментами обновления метода . На практике часто выбирают , где - размерность пространства.

Сходимость метода

Для метода Флетчера - Ривса существует теорема о сходимости, накладывающая не слишком жёсткие условия на минимизируемую функцию :
Теорема .
Пусть и выполняются следующие условия:

множества M: .
Тогда

Для метода Полака-Райбера доказана сходимость в предположении, что - строго выпуклая функция. В общем случае доказать сходимость метода Полака - Райбера невозможно. Напоротив, верна следующая теорема:
Теорема.
Предположим, что в методе Полака-Райбера значения на каждом шаге вычисляются точно. Тогда существует функция , и начальное приближение , такие что %200,%20%5Cforall%20k%20=%200,%201,%202,%20...%20%5Cquad%20%7C%7Cf(x_k)%7C%7C%20>%20%5Cdelta" alt="\exists \delta > 0, \forall k = 0, 1, 2, ... \quad ||f(x_k)|| > \delta">.

Тем не менее, на практике метод Полака-Райбера работает лучше.
Наиболее распространённые критерии останова на практике: Норма градиента становится меньше некоторого порога
Значение функции в течении m последовательных итераций почти не изменилось

Вычислительная сложность

На каждой итерации методов Полака-Райбера или Флетчера-Ривса по одному разу вычисляются функция и её градиент , решается задача одномерной оптимизации . Таким образом, сложность одного шага метода сопряжённых градиентов имеет тот же порядок, что и сложность шага метода скорейшего спуска. На практике метод сопряжённых градиентов показывает лучшую скорость сходимости.

Числовой пример

Будем искать методом сопряжённых градиентов минимум функции . Минимум этой функции равен 1 и достигается в точке (5, 4). Сравним на примере этой функции методы Полака-Райбера и Флетчера-Ривса. Итерации в обоих методах прекращаются, когда на текущем шаге квадрат нормы градиента становится меньше . Для выбора используется метод золотого сечения

	Метод Флетчера - Ривса			Метод Полака - Райбера
	Число итераций	Найденное решение	Значение функции	Число итераций	Найденное решение	Значение функции
0.01	18	(5.01382198,3.9697932)	1.00110367	15	(5.03942877,4.00003512)	1.00155463
0.001	20	(5.01056482,3.99018026)	1.00020805	18	(4.9915894,3.99999044)	1.00007074
0.0001	24	(4.9979991,4.00186173)	1.00000747	20	(5.00336181,4.0000018)	1.0000113
0.00001	25	(4.99898277,4.00094645)	1.00000193	22	(4.99846808,3.99999918)	1.00000235
0.00001	29	(4.99974658,4.0002358)	1.00000012	26	(4.99955034,3.99999976)	1.0000002

Реализовано два варианта метода сопряжённых градиентов: для минимизации квадратичного функционала, и для минимизации произвольной функции. В первом случае метод реализуется функцией
vector FindSolution(matrix A, vector b)
Здесь A и b - матрица и вектор, фигурирющие в определении квадратичной задачи оптимизации.
Для минимизации произвольного функционала можно использовать одну из двух функций:
vector FletcherRievesMethod(int spaceSize, Function F, vector (*GradF) (vector))
vector PolakRibiereMethod(int spaceSize, Function F, vector (*GradF) (vector))
Параметры для обеих функций совпадают и имеют следующий смысл:
spaceSize - размерность пространства(число переменных, от которых зависит минимизируемый функционал)
F - указатель на минимизируемую функцию. Функция должна иметь вид double <имя функции>(vector)
GradF - указатель на функцию, вычисляющую градиент минимизируемого функционала
Оба метода используют вспомогательную функцию для решения задачи одномерной оптимизации. В программе реализована одномерная оптимизация методом золотого сечения.

Заключение

В методе сопряжённых градиентов используется информация только о линейной части приращения в точке, как и в методах градиентного спуска. При этом метод сопряжённых градиентов позволяет решать квадратичные задачи за конечное число шагов. На многих других задачах метод сопряжённого градиента также превосходит метод градиентного спуска. Сходимость метода градиентов существенно зависит от того, насколько точно решается задача одномерной оптимизации . Возможные зацикливания метода устраняются с помощью обновлений. Тем не менее, если метод попадёт в локальный минимум функции, скорее всего, ему не удастся из него выбраться.

См. также

Список литературы

• Васильев Ф. П. Методы оптимизации - Издательство «Факториал Пресс», 2002
• Nocedal J., Wright S.J. Numerical Optimization ,Springer, 1999

Метод сопряженных градиентов (в англ. литературе «conjugate gradient method») - это итерационный численный метод (первого порядка) решения оптимизационных задач, который позволяет определить экстремум (минимум или максимум) целевой функции:

- это значения аргумента функции (управляемые параметры) на вещественной области.

В соответствии с рассматриваемым методом экстремум (максимум или минимум) целевой функции определяют в направлении наиболее быстрого возрастания (убывания) функции, т.е. в направлении градиента (антиградиента) функции. Градиентом функции в точке называется вектор, проекциями которого на координатные оси являются частные производные функции по координатам:

где i, j,…, n - единичные векторы, параллельные координатным осям.

Градиент в базовой точке строго ортогонален к поверхности, а его направление показывает направление наискорейшего возрастания функции, а противоположное направление (антиградиент), соответственно, показывает направление наискорейшего убывания функции.

Метод сопряженных градиентов является дальнейшим развитием метода наискорейшего спуска, который сочетает в себе два понятия: градиент целевой функции и сопряженное направление векторов. В общем случае процесс нахождения минимума функции является итерационной процедурой, которая записывается в векторной форме следующим образом:

где знак «+» используется для поиска максимума функции, а знак «-» используется для поиска минимума функции.

Единичный вектор сопряженных направлений, который определяется по формуле:

Существует несколько способов определения значений весовых коэффициентов (переменная ), которые используются для определения сопряженного направления.

В качестве первого способа рассматривают определение весового коэффициента по формуле Флетчера-Ривса (Fletcher–Reeves):

- модуль градиента определяет скорость возрастания или убывания функции в направлении градиента или антиградиента соответственно.

В качестве второго способа рассматривают определение весового коэффициента по формуле Полака–Райбера (Polak-Ribiere):

В соответствии с представленными выражениями новое сопряженное направление получается сложением градиента (антиградиента) в точке поворота и предыдущего направления движения, умноженного на коэффициент. Таким образом, метод сопряженных градиентов формирует направление поиска к оптимальному значению используя информацию о поиске полученную на предыдущих этапах спуска. Следует отметить, что сопряженные направления P, P, ..., P вычисляют с помощью формулы Флетчера-Ривса, которая позволяет построить сопряженные векторы относительно некоторой симметрической матрицы для произвольно заданной функции.

Траектория спуска в методе сопряженных градиентов (поиск минимума)

Геометрический смысл метода сопряженных градиентов состоит в следующем: из заданной начальной точки х осуществляется спуск в направлении р (градиента или антиградиента) в новую точку х, в которой определяется вектор-градиент функции. Поскольку х является точкой минимума функции в направлении р, то вектор-градиент функции в точке х ортогонален вектору р. Затем определяется вектор р который ортогонален относительно некоторой симметрической матрицы вектору р. В результате осуществляется спуск вдоль найденного направления в новую точку х.

Траектория движения к точке экстремума при использовании метода наискорейшего спуска (зелёная ломаная) и метода сопряжённых градиентов (красная ломаная).

Следует отметить, что через каждые n + 1 шагов необходимо выполнять рестарт алгоритмической процедуры (n – размерность пространства поиска). Рестарт алгоритмической процедуры необходим, чтобы забыть последнее направление поиска и стартовать алгоритм заново в направлении скорейшего спуска.

Величина шага выбирается из условия минимума целевой функции f(х) в направлении движения, т. е. в результате решения задачи одномерной оптимизации в направлении градиента или антиградиента:

Другими словами, величину шага определяют при решении данного уравнения:

Поиск оптимального решения завершается в случае, когда на итерационном шаге расчета (несколько критериев):

Траектория поиска остается в малой окрестности текущей точки поиска:

Приращение целевой функции не меняется:

Градиент целевой функции в точке локального минимума обращается в нуль:

Метод сопряженных градиентов является методом первого порядка, но при этом обладает квадратичной скоростью сходимости, как Ньютоновские методы расчета. Метод градиента вместе с его многочисленными модификациями является распространенным и эффективным методом поиска оптимума исследуемых объектов. Недостатком градиентного поиска (так же и рассмотренных выше методов) является то, что при его использовании можно обнаружить только локальный экстремум функции. Для отыскания других локальных экстремумов необходимо производить поиск из других начальных точек.

Методика расчета

1 шаг: Определение аналитические выражения (в символьном виде) для вычисления градиента функции

2 шаг : Задаем начальное приближение

3 шаг: Определяется необходимость рестарта алгоритмической процедуры для обнуления последнего направления поиска. В результате рестарта поиск осуществляется заново в направлении скорейшего спуска.

4 шаг : Вычисление координат единичного вектора по формуле, полученной на шаге 1, и определение координат новой точки при движении по направлению единичного вектора как функция от шага расчета.

Вычисление весового коэффициента и единичного вектора сопряженных направлений на текущем шаге расчета (формула Флетчера-Ривса):

Для первого шага расчета весовой коэффициент не вычисляется (или в случае рестарта алгоритма), а единичный вектор сопряженных направлений определяется следующим образом.

Метод сопряженных градиентов для нахождения максимума квадратичной формы имеет несколько модификаций.

1. Одна из них получается непосредственно из рассмотренного выше процесса, если заменить максимизацию функции на гиперпространстве отысканием максимума на прямой вида (16.15). Как было показано в предыдущем пункте результат от этого не изменится, так как эти максимумы совпадают.

Алгоритм получается таким (модификация I):

А. Начальный шаг.

1) Находится градиент функции в произвольной точке ;

2) полагается ;

3) находится точка , доставляющая максимум функции на прямой ( – параметр).

Б. Общий шаг. Пусть уже найдены точки .

1) находится градиент функции в точке .

2) полагается

В. Останов алгоритма. Процесс обрывается в тот момент, когда градиент обратится в нуль, т. е. достигается максимум на всем пространстве .

При абсолютно точном вычислении алгоритм должен привести к максимуму не более чем за шагов, так как при этом точки вычисляемые методом сопряженных градиентов, совпадают с точками , получающимися в процессе, описанном в предыдущем пункте: как было показано, этот процесс выводит на абсолютный максимум не более чем за шагов.

В реальных условиях, при ограниченной точности вычислений, процесс поиска максимума следует остановить не при точном обращении в нуль градиента, а в тот момент, когда градиент станет достаточно мал. При этом на самом деле может потребоваться более шагов. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены ниже.

Чтобы придать алгоритму более «конструктивную» форму, найдем формулу, определяющую точку максимума квадратичной формы на прямой .

Подставляя уравнение прямой в выражение функции , получим

где – градиент в точке . Максимизируя по , получим

и соответственно

. (16.16)

Таким образом, вычисление в пункте 3) алгоритма может быть осуществлено по формуле

.

2. Более известна модификация метода, при которой для вычисления очередного направления используются векторы и вместо и .

Рассмотрим систему векторов , коллинеарных соответственно векторам (т. е. при некоторых действительных ). Для векторов и сохраняется условие -ортогональности

При . (16.17)

Кроме того, из (16.11) следует, что

При . (16.18)

Наконец, остается в силе соотношение типа (16.9)

. (16.19)

Умножая правую и левую части (16.19) на и учитывая (16.17) и (16.18), получим при

откуда при . При получим

. (16.20)

Соотношение (16.20) определяет с точностью до произвольного множителя через и ц. При выводе (16.20) использовались лишь соотношения (16.17), (16.18), (16.19). Поэтому процесс построения векторов может рассматриваться как процесс -ортогонализации векторов .

Полагая в (16.20) и , получим конкретную систему векторов , коллинеарных . Каждый вектор задает направление прямой, исходящей из , на которой лежит . Алгоритм, таким образом, примет следующий вид (модификация II).

А. Начальный шаг, такой же как и в модификации I.

Б. Пусть уже найдены точка и направление .

1) Находится градиент функции в точке ;

2) полагается

,

; (16.21)

3) находится точка , доставляющая условный максимум на прямой

по формуле

. (16.22)

Формулы (16.21) и (16.22) могут быть преобразованы. Так, полагая

имеем из (16.22)

,

откуда получаем, применяя (16.12),

. (16.23)

С другой стороны, поскольку

из (16.21) имеем

и, таким образом,

Наконец, из (16.21), (16.23) и (16.24) получаем

.

Таким образом, формулы (16.21) и (16.22) могут быть записаны в виде

,

. (16.26)

Совпадение результатов действия по формулам (16.21) и (16.22), с одной стороны, и (16.25), (16.26), с другой, может служить критерием правильности вычислений.

3. Метод сопряженных градиентов может быть применен и для максимизации функций , не являющихся квадратичными. Известно, однако, что вблизи максимума достаточно гладкие функции, как правило, хорошо аппроксимируются квадратичной функцией, например, с помощью разложения в ряд Тейлора. При этом обычно предполагается, что коэффициенты аппроксимирующей квадратичной функции неизвестны, но для любой точки можно найти градиент функции .

При этом пункт 1) алгоритма может быть выполнен без изменений, пункт 2) должен выполняться по формуле (16.25), поскольку в эту формулу не входит явно матрица , а пункт 3), нахождение условного максимума на прямой, может быть выполнен одним из известных способов, например, методом Фибоначчи. Применение метода сопряженных градиентов дает обычно значительно более быструю сходимость к максимуму по сравнению с методами наискорейшего спуска, Гаусса – Зайделя и др.

4. Что будет, если применить метод сопряженных градиентов для максимизации квадратичной формы с положительно полуопределенной формой ?

Если квадратичная форма положительно полуопределена, то, как известно из линейной алгебры, в соответствующей системе координат функция примет вид

,

где все и некоторые из . При этом функция имеет максимум, если выполнено условие: когда , то и . Легко видеть, что максимум в этом случае достигается на целом гиперпространстве. А именно, пусть, например, при , меняющемся от 1 до , , а при , меняющемся от до , и . Тогда максимум достигается в точках с координатами при и с произвольными значениями при . Они образуют гиперпространство размерности .

Если же при некоторых , a , то функция не имеет максимума и возрастает неограниченно. В самом деле, пусть, например, и ; тогда, если положить при и устремить к , то, очевидно, и будет возрастать до бесконечности.

Оказывается, что метод сопряженных градиентов (при точном счете) позволяет в первом случае достигнуть максимума не более чем за шагов, где – число не равных нулю, а во втором случае не более чем через шагов выводит на направление, по которому функция возрастает неограниченно.

В исходной системе координат функция имеет вид

,

причем матрица вырождена и имеет ранг . При этом, как и раньше, обращение градиента в нуль есть критерий достижения максимума, а ортогональность градиента гиперпространству – критерий условного экстремума на гиперпространстве.

Рассмотрим применение метода сопряженных градиентов в форме II в этом случае. Здесь приходится изменить условие остановки, т. е. теперь возможно, что при вычислении длины шага

знаменатель может обратиться в нуль (при вычислении значения величина также входит в знаменатель, но если она равна нулю, то уже предыдущий шаг невозможен).. В самом деле пусть при ортогонален гиперпространству

и так как , то квадратичная часть положительно определена. Но, как известно из линейной алгебры, это возможно только в том случае, когда размерность пространства меньше или равна рангу матрицы .

Следовательно, останов обязательно произойдет при .