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最优化方法复习.doc

发布:2017-01-06约5.62千字共15页下载文档
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7第1章 最优化问题的基本概念 §1.1最优化的概念 最优化就是依据最优化原理和方法,在满足相关要求的前提下,以尽可能高的效率求得工程问题最优解决方案的过程。 §1.2最优化问题的数学模型 1.最优化问题的一般形式 2.最优化问题的向量表达式 式中: 3.优化模型的三要素 设计变量、约束条件、目标函数称为优化设计的三要素! 设计空间:由设计变量所确定的空间。设计空间中的每一个点都代表一个设计方案。 §1.3优化问题的分类 按照优化模型中三要素的不同表现形式,优化问题有多种分类方法: 1按照模型中是否存在约束条件,分为约束优化和无约束优化问题 2按照目标函数和约束条件的性质分为线性优化和非线性优化问题 3按照目标函数个数分为单目标优化和多目标优化问题 4按照设计变量的性质不同分为连续变量优化和离散变量优化问题 第2章 最优化问题的数学基础 §2.1 元函数的可微性与梯度 一、可微与梯度的定义 1.可微的定义 设是定义在维空间的子集上的元实值函数,且。若存在维向量,对于任意维向量,都有 则称在处可微。 2.梯度 设有函数,,在其定义域内连续可导。我们把在定义域内某点处的所有一阶偏导数构成的列向量,定义为在点处的梯度。记为: 梯度有3个性质: ⑴函数在某点的梯度方向为函数过该点的等值线的法线方向; ⑵函数值沿梯度方向增加最快,沿负梯度方向下降最快; ⑶梯度描述的只是函数某点邻域内的局部信息。 §2.2极小点及其判别条件 一、相关概念 1.极小点与最优解 设是定义在维空间的子集上的元实值函数,若存在及实数,使得都有,则称为的局部极小点;若,则称为的严格局部极小点。 若,都有,则称为的全局极小点,若,则称为的全局严格极小点。 对最优化问题而言 满足所有约束条件的向量称为上述最优化问题的一个可行解,全体可行解组成的集合称为可行解集。在可行解集中,满足: 的解称为优化问题的最优解。 2.凸集和凸函数 凸集:设,若对所有的,及,都有,则称为凸集。 凸函数:设,是凸集,如果对于所有的,及,都有,则称为上的凸函数。 二、局部极小点的判别条件 驻点:设是定义在维空间的子集上的元实值函数,是的内点,若,则称为的驻点。 局部极小点的判别:设是定义在维空间的子集上的元实值函数,具有连续的二阶偏导数。若是的驻点,且是正定矩阵,则是的严格局部极小点。 第3章 无约束优化方法 §3.1下降迭代算法及终止准则 一、数值优化方法的基本思想 基本思想就是在设计空间内选定一个初始点,从该点出发,按照某一方向(该方向的确定原则是使函数值下降)前进一定的步长,得到一个使目标函数值有所下降的新设计点,然后以该点为新的初始点,重复上面过程,直至得到满足精度要求的最优点。 该思想可用下式表示: 二、迭代计算的终止准则 工程中常用的迭代终止准则有3种: ⑴点距准则 相邻两次迭代点之间的距离充分小时,迭代终止。 数学表达为: ⑵函数下降量准则(值差准则) 相邻两次迭代点的函数值之差充分小,迭代终止。 数学表达为: ⑶梯度准则 目标函数在迭代点处的梯度模充分小时,迭代终止。 数学表达为: 三、算法的收敛速度 对于某一确定的下降算法,其优劣如何评价?人们通常采用收敛速度来评价。 下面给出度量收敛速度的几个概念。 1.阶收敛 设序列收敛于解,若存在常数及、,使当时下式: 成立,则称为阶收敛。 2.线性收敛 设序列收敛于解,若存在常数、及,使当时下式: 成立,则称为线性收敛。 3.超线性收敛 设序列收敛于解,若任给都存在,使当时下式: 成立,则称为超线性收敛。 §3.2一维最优化方法 一、确定初始区间的进退法 任选一个初始点和初始步长,由此可确定两点和,通过比较这两点函数值、的大小,来决定第三点的位置。比较这三点函数值是否呈“高——低——高”排列特征,若是则找到了单峰区间,否则向前或后退继续寻求下一点。 进退法依据的基本公式: 具体步骤为: ⑴任意选取初始点和恰当的初始步长; ⑵令,取,计算、; ⑶若,说明极小点在右侧,应加大步长向前搜索。转⑷; 若,说明极小点在左侧,应以点为基准反向小步搜索。转⑹; ⑷大步向前搜索:令,取,计算; ⑸若,则、、呈“高——低——高”排列,说明即为所求的单峰区间; 若,说明极小点在右侧,应加大步长向前搜索。此时要注意做变换:舍弃原点,以原点为新的点,原点为新的点。转⑷,直至出现“高——低——高”排列,则单峰区间可得; ⑹反向小步搜索(要注意做变换):为了保证点计算公式的一致性,做变换:将原点记为新点,原点记为新点,令,取,转⑸ 例:用进退法确定函数的单峰区间[a,b],设初始点,。 解:① ② ③ 说明极小点在点
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