基于Python共轭梯度法与最速下降法之间的对比

Z时代
2024-01-10
分类：综合

在一般问题的优化中，最速下降法和共轭梯度法都是非常有用的经典方法，但最速下降法往往以”之”字形下降，速度较慢，不能很快的达到最优值，共轭梯度法则优于最速下降法，在前面的某个文章中，我们给出了牛顿法和最速下降法的比较，牛顿法需要初值点在最优点附近，条件较为苛刻。

算法来源：《数值最优化方法》高立，P111

我们选用了64维的二次函数来作为验证函数，具体参见上书111页。

采用的三种方法为：

共轭梯度方法（FR格式）、共轭梯度法（PRP格式）、最速下降法


# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Sat Oct 01 15:01:54 2016
@author: zhangweiguo
"""
import sympy,numpy
import math
import matplotlib.pyplot as pl
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D as ax3
import SD#这个文件里有最速下降法SD的方法，参见前面的博客
#共轭梯度法FR、PRP两种格式
def CG_FR(x0,N,E,f,f_d):
  X=x0;Y=[];Y_d=[];
  n = 1
  ee = f_d(x0)
  e=(ee[0]**2+ee[1]**2)**0.5
  d=-f_d(x0)
  Y.append(f(x0)[0,0]);Y_d.append(e)
  a=sympy.Symbol('a',real=True)
  print '第%2s次迭代：e=%f' % (n, e)
  while n<N and e>E:
    n=n+1
    g1=f_d(x0)
    f1=f(x0+a*f_d(x0))
    a0=sympy.solve(sympy.diff(f1[0,0],a,1))
    x0=x0-d*a0
    X=numpy.c_[X,x0];Y.append(f(x0)[0,0])
    ee = f_d(x0)
    e = math.pow(math.pow(ee[0,0],2)+math.pow(ee[1,0],2),0.5)
    Y_d.append(e)
    g2=f_d(x0)
    beta=(numpy.dot(g2.T,g2))/numpy.dot(g1.T,g1)
    d=-f_d(x0)+beta*d
    print '第%2s次迭代：e=%f'%(n,e)
  return X,Y,Y_d
def CG_PRP(x0,N,E,f,f_d):
  X=x0;Y=[];Y_d=[];
  n = 1
  ee = f_d(x0)
  e=(ee[0]**2+ee[1]**2)**0.5
  d=-f_d(x0)
  Y.append(f(x0)[0,0]);Y_d.append(e)
  a=sympy.Symbol('a',real=True)
  print '第%2s次迭代：e=%f' % (n, e)
  while n<N and e>E:
    n=n+1
    g1=f_d(x0)
    f1=f(x0+a*f_d(x0))
    a0=sympy.solve(sympy.diff(f1[0,0],a,1))
    x0=x0-d*a0
    X=numpy.c_[X,x0];Y.append(f(x0)[0,0])
    ee = f_d(x0)
    e = math.pow(math.pow(ee[0,0],2)+math.pow(ee[1,0],2),0.5)
    Y_d.append(e)
    g2=f_d(x0)
    beta=(numpy.dot(g2.T,g2-g1))/numpy.dot(g1.T,g1)
    d=-f_d(x0)+beta*d
    print '第%2s次迭代：e=%f'%(n,e)
  return X,Y,Y_d
if __name__=='__main__':
  '''
  G=numpy.array([[21.0,4.0],[4.0,15.0]])
  #G=numpy.array([[21.0,4.0],[4.0,1.0]])
  b=numpy.array([[2.0],[3.0]])
  c=10.0
  x0=numpy.array([[-10.0],[100.0]])
  '''
  m=4
  T=6*numpy.eye(m)
  T[0,1]=-1;T[m-1,m-2]=-1
  for i in xrange(1,m-1):
    T[i,i+1]=-1
    T[i,i-1]=-1
  W=numpy.zeros((m**2,m**2))
  W[0:m,0:m]=T
  W[m**2-m:m**2,m**2-m:m**2]=T
  W[0:m,m:2*m]=-numpy.eye(m)
  W[m**2-m:m**2,m**2-2*m:m**2-m]=-numpy.eye(m)
  for i in xrange(1,m-1):
    W[i*m:(i+1)*m,i*m:(i+1)*m]=T
    W[i*m:(i+1)*m,i*m+m:(i+1)*m+m]=-numpy.eye(m)
    W[i*m:(i+1)*m,i*m-m:(i+1)*m-m]=-numpy.eye(m)
  mm=m**2
  mmm=m**3
  G=numpy.zeros((mmm,mmm))
  G[0:mm,0:mm]=W;G[mmm-mm:mmm,mmm-mm:mmm]=W;
  G[0:mm,mm:2*mm]=-numpy.eye(mm)
  G[mmm-mm:mmm,mmm-2*mm:mmm-mm]=-numpy.eye(mm)
  for i in xrange(1,m-1):
    G[i*mm:(i+1)*mm,i*mm:(i+1)*mm]=W
    G[i*mm:(i+1)*mm,i*mm-mm:(i+1)*mm-mm]=-numpy.eye(mm)
    G[i*mm:(i+1)*mm,i*mm+mm:(i+1)*mm+mm]=-numpy.eye(mm)
  x_goal=numpy.ones((mmm,1))
  b=-numpy.dot(G,x_goal)
  c=0
  f = lambda x: 0.5 * (numpy.dot(numpy.dot(x.T, G), x)) + numpy.dot(b.T, x) + c
  f_d = lambda x: numpy.dot(G, x) + b
  x0=x_goal+numpy.random.rand(mmm,1)*100
  N=100
  E=10**(-6)
  print '共轭梯度PR'
  X1, Y1, Y_d1=CG_FR(x0,N,E,f,f_d)
  print '共轭梯度PBR'
  X2, Y2, Y_d2=CG_PRP(x0,N,E,f,f_d)
  figure1=pl.figure('trend')
  n1=len(Y1)
  n2=len(Y2)
  x1=numpy.arange(1,n1+1)
  x2=numpy.arange(1,n2+1)
  X3, Y3, Y_d3=SD.SD(x0,N,E,f,f_d)
  n3=len(Y3)
  x3=range(1,n3+1)
  pl.semilogy(x3,Y3,'g*',markersize=10,label='SD:'+str(n3))
  pl.semilogy(x1,Y1,'r*',markersize=10,label='CG-FR:'+str(n1))
  pl.semilogy(x2,Y2,'b*',markersize=10,label='CG-PRP:'+str(n2))
  pl.legend()
  #图像显示了三种不同的方法各自迭代的次数与最优值变化情况，共轭梯度方法是明显优于最速下降法的
  pl.xlabel('n')
  pl.ylabel('f(x)')
  pl.show()

最优值变化趋势：

从图中可以看出，最速下降法SD的迭代次数是最多的，在与共轭梯度（FR与PRP两种方法）的比较中，明显较差。

补充知识：python实现牛顿迭代法和二分法求平方根，精确到小数点后无限多位-4

首先来看一下牛顿迭代法求平方根的过程：计算3的平方根

如图，是求根号3的牛顿迭代法过程。这里使用的初始迭代值（也就是猜测值）为1，其实可以为任何值最终都能得到结果。每次开始，先检测猜测值是否合理，不合理时，用上面的平均值来换掉猜测值，依次继续迭代，直到猜测值合理。

原理：现在取一个猜测值 a, 如果猜测值合理的话，那么就有a^2=x，即x/a=a ,x为被开方数。不合理的话呢，就用表中的猜测值和商的平均值来换掉猜测值。当不合理时，比如 a>真实值，那么x/a<真实值，这时候取a 与 x/a 的平均值来代替a的话，那么新的a就会比原来的a要更接近真实值。同理有 a<真实值的情况。于是，这样不断迭代下去最终是一个a不断收敛到真实值的一个过程。于是不断迭代就能得到真实值，证明了迭代法是正确的。

附上我的python代码：

利用python整数运算，python整数可以无限大，可以实现小数点后无限多位

#二分法求x的平方根小数点下任意K位数的精准值，利用整数运算 #思想：利用二分法，每次乘以10，取中间值，比较大小，从而定位精确值的范围，将根扩大10倍，则被开方数扩大100倍。 #quotient（商）牛顿迭代法：先猜测一个值，再求商，然后用猜测值和商的中间值代替猜测值，扩大倍数，继续进行。


import math
from math import sqrt
def check_precision(l,h,p,len1):#检查是否达到了精确位
  l=str(l);h=str(h)
  if len(l)<=len1+p or len(h)<=len1+p:
    return False
  for i in range(len1,p+len1):#检查小数点后面的p个数是否相等
    if l[i]!=h[i]:     #当l和h某一位不相等时，说明没有达到精确位
      return False
  return True
def print_result(x,len1,p):
  x=str(x)
  if len(x)-len1<p:#没有达到要求的精度就已经找出根
    s=x[:len1]+"."+x[len1:]+'0'*(p-len(x)+len1)
  else:s=x[:len1]+"."+x[len1:len1+p]
  print(s)
def binary_sqrt(x,p):
  x0=int(sqrt(x))
  if x0*x0==x: #完全平方数直接开方，不用继续进行
    print_result(x0,len(str(x0)),p)
    return 
  len1=len(str(x0))#找出整数部分的长度
  l=0;h=x
  while(not check_precision(l,h,p,len1)):#没有达到精确位，继续循环
    if not l==0:#第一次l=0，h=x时不用乘以10，直接取中间值
      h=h*10 #l,h每次扩大10倍
      l=l*10
      x=x*100 #x每次要扩大100倍，因为平方
    m=(l+h)//2
    if m*m==x:
      return print_result(m,len1,p)
    elif m*m>x:
      h=m
    else:
      l=m
  return print_result(l,len1,p)#当达到了要求的精度，直接返回l
#牛顿迭代法求平方根
def newton_sqrt(x,p):
  x0=int(sqrt(x))
  if x0*x0==x: #完全平方数直接开方，不用继续进行
    print_result(x0,len(str(x0)),p)
    return
  len1=len(str(x0))#找出整数部分的长度
  g=1;q=x//g;g=(g+q)//2
  while(not check_precision(g,q,p,len1)):
    x=x*100
    g=g*10
    q=x//g   #求商
    g=(g+q)//2 #更新猜测值为猜测值和商的中间值
  return print_result(g,len1,p)
while True:  
  x=int(input("请输入待开方数："))
  p=int(input("请输入精度："))
  print("binary_sqrt:",end="")
  binary_sqrt(x,p)
  print("newton_sqrt:",end="")
  newton_sqrt(x,p)