Градиентный метод с постоянным m. Градиентный спуск

Как мы уже отметили, задача оптимизации – это задача отыскания таких значений факторов х 1 = х 1* , х 2 = х 2* , …, х k = х k * , при которых функция отклика (у ) достигает экстремального значения у = ext (оптимума).

Известны различные методы решения задачи оптимизации. Одним из наиболее широко применяемых является метод градиента, называемый также методом Бокса-Уилсона и методом крутого восхождения.

Рассмотрим сущность метода градиента на примере двухфакторной функции отклика y = f(x 1 , х 2 ). На рис. 4.3 в фак­торном пространстве изо­бражены кривые равных значений функции отклика (кривые уровня). Точке с координатами х 1 *, х 2 * соответствует экстремаль­ное значение функции от­клика у ext .

Если мы выбе­рем какую-либо точку фак­торного пространства в ка­честве исходной (х 1 0 , х 2 0), то наикратчайший путь к вершине функции откли­ка из этой точки – это путь, по кривой, касательная к которой в каждой точке совпадает с нормалью к кривой уровня, т.е. это путь в направлении гради­ента функции отклика.

Градиент непрерывной однозначной функции y = f (x 1 , х 2) – это вектор, определяемый по направлению градиентом с координатами:

где i, j – единичные векторы в направлении осей координат х 1 и х 2 . Частные производные и характеризуют направление вектора.

Поскольку нам неизвестен вид зависимости y = f (x 1 , х 2), мы не можем найти частные производные , и опреде­лить истинное направление градиента.

Согласно методу градиента в какой-то части факторного пространства выбирается исходная точка (исходные уровни) х 1 0 , х 2 0 . Относительно этих исходных уровней строится сим­метричный двухуровневый план эксперимента. Причем интер­вал варьирования выбирается настолько малым, чтобы ли­нейная модель оказалась адекватной. Известно, что любая кривая на достаточно малом участке может быть аппрокси­мирована линейной моделью.

После построения симметричного двухуровневого плана решается интерполяционная задача, т.е. строится линейная модель:

и проверяется ее адекватность.

Если для выбранного интервала варьирования линейная мо­дель оказалась адекватной, то может быть определено на­правление градиента:

Таким образом, направление градиента функции отклика определяется значениями коэффициентов регрессии. Это означает, что мы будем двигаться в направлении градиента, если из точки с координатами ( ) перейдем в точку с координатами:

где m – положительное число, определяющее величину шага в на­правлении градиента.

Поскольку х 1 0 = 0 и х 2 0 = 0, то .

Определив направление градиента () и выбрав ве­личину шага m , осуществляем опыт на исходном уровне х 1 0 , х 2 0 .

Движение по градиенту продолжаем до тех пор, пока функция отклика не начнет уменьшаться. На рис. 4.3 движение по градиенту соответствует прямой, вы­ходящей из точки (х 1 0 , х 2 0). Она постепенно отклоняется от истинного направления градиента, показанного штриховой линией, вследствие нелинейности функции отклика.

Как только в очередном опыте значение функции отклика уменьшилось, движение по градиенту прекращают, прини­мают опыт с максимальным значением функции отклика за новый исходный уровень, составляют новый симметричный двухуровневый план и снова решают интерполяционную за­дачу.

Построив новую линейную модель , осуществляют регрессионный анализ. Если при этом провер­ка значимости факторов показывает, что хоть один коэф

фи­циент , значит, область экстремума функции откли­ка (область оптимума) еще не достигнута. Определяется новое направление градиента и начинается движение к обла­сти оптимума.

Уточнение направления градиента и движение по гради­енту продолжаются до тех пор, пока в процессе решения очередной интерполяционной задачи проверка значимости факторов не покажет, что все факторы незначимы, т.е. все . Это означает, что область оптимума достигнута. На этом решение оптимизационной задачи прекращают, и принимают опыт с максимальным значением функции отклика за оптимум.

В общем виде последовательность действий, необходимых для решения задачи оптимизации методом градиента, может быть представлена в виде блок-схемы (рис. 4.4).

1) исходные уровни факторов (х j 0) следует выбирать воз­можно ближе к точке оптимума, если есть какая-то априор­ная информация о ее положении;

2) интервалы варьирования (Δх j ) надо выбирать такими, чтобы линейная модель наверняка оказалась адекватной. Границей снизу Δх j при этом является минимальное значе­ние интервала варьирования, при котором функция отклика остается значимой;

3) значение шага (т ) при движении по градиенту выбирают таким образом, чтобы наибольшее из произведений не превышало разности верхнего и нижнего уровней факто­ров в нормированном виде

.

Следовательно, . При меньшем значении т разность функции отклика в исходном уровне и в точке с координа­тами может оказаться незначимой. При большем значении шага возникает опасность проскочить оптимум функ­ции отклика.

Наконец, параметр m можно задавать постоянным на всех итерациях. Однако при больших значениях m процесс поиска может расходиться. Хорошим способом выбора m может быть его определение на первой итерации из условия экстремума по направлению градиента. На последующих итерациях m остается постоянным. Это еще более упрощает вычисления.

Например, для функции при с проекциями градиентов методом наискорейшего спуска определен . Примем параметр постоянным на всех итерациях.

Вычисляем координаты х (1) :

Для вычисления координат точки х (2) находим проекции градиента в точке х (1) : , тогда

и т.д.

Данная последовательность также сходится.

Шаговый градиентный метод

Этот метод разработан инженерами и заключается в том, что шаг по одной из переменных берется постоянным, а для других переменных он выбирается исходя из пропорциональности градиентов точках. Этим как бы масштабируют экстремальную поверхность, т.к. не по всем переменным сходимость одинакова. Поэтому выбором различных шагов для координат пытаются сделать скорость сходимости примерно одинаковой по всем переменным.

Пусть дана сепарабельная функция и начальная точка . Зададимся постоянным шагом по координате х 1 , пусть Dх 1 =0,2. Шаг по координате х 2 находим из соотношения градиентов и шагов.

Метод релаксации

Алгоритм метода заключается в отыскании осевого направления, вдоль которого целевая функция уменьшается наиболее сильно (при поиске минимума). Рассмотрим задачу безусловной оптимизации

Для определения осевого направления в начальной точке поиска из области определяются производные , , по всем независимым переменным. Осевому направлению соответствует наибольшая по модулю производная .

Пусть – осевое направление, т.е. .

Если знак производной отрицательный, функция убывает в направлении оси, если положительный – в обратном направлении:

В точке вычисляют . По направлению убывания функции производится один шаг, определяется и в случае улучшения критерия шаги продолжаются до тех пор, пока не будет найдено минимальное значение по выбранному направлению. В этой точке вновь определяются производные по всем переменным, за исключением тех, по которой осуществляется спуск. Снова находится осевое направление наиболее быстрого убывания , по которому производятся дальнейшие шаги и т.д.

Эту процедуру повторяют до тех пор, пока не достигается оптимальная точка, при движении из которой по любому осевому направлению дальнейшего убывания не происходит. На практике критерием окончания поиска служит условие

которое при превращается в точное условие равенства нулю производных в точке экстремума. Естественно условие (3.7) может быть использовано только в том случае, если оптимум лежит внутри допустимой области изменения независимых переменных . Если же оптимум попадает на границу области , критерий типа (3.7) непригоден и вместо него следует применять положительности всех производных по допустимым осевым направлениям.

Алгоритм спуска для выбранного осевого направления может быть записан так

(3.8)

где -значение варьируемой переменной на каждом шаге спуска;

Величина k+1 шага, которая может изменяться в зависимости от номера шага:

– функция знака z;

Вектор точки, в которой последний раз производилось вычисление производных ;

Знак “+” в алгоритме (3.8) принимается при поиске max I, а знак “-” – при поиске min I.Чем меньше шаг h., тем больше количество вычислений на пути движения к оптимуму. Но при слишком большой величине h вблизи оптимума может возникнуть зацикливание процесса поиска. Вблизи оптимума необходимо, чтобы выполнялось условие h

Простейший алгоритм изменения шага h состоит в следующем. В начале спуска задается шаг , равный например, 10% от диапазона d; изменения с этим шагом производится спуск по выбранному направлению до тез пор, пока выполняется условие для двух последующих вычислений

При нарушении условия на каком-либо шаге направление спуска на оси изменяется на обратное и спуск продолжается из последней точки с уменьшенной вдвое величиной шага.

Формальная запись этого алгоритма следующая:

(3.9)

В результате использования такой стратегии ша спуска будет уменьшатся в районе оптимума по данному направлению и поиск по направлению можно прекратить, когда станет меньше E.

Затем отыскивается новое осевое направление начальный шаг для дальнейшего спуска, обычно меньший пройденного вдоль предыдущего осевого направления. Характер движения в оптимуме в данном методе показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.5 – Траектория движения к оптимуму в методе релаксации

Улучшение алгоритма поиска по данному методу может быть достигнуто путем применения методов однопараметрической оптимизации. При этом может быть предложена схема решения задачи:

Шаг 1. – осевое направление,

; , если ;

Шаг 2. – новое осевое направление;

Метод градиента

В этом методе используется градиент функции . Градиентом функции в точке называется вектор, проекциями которого на координатные оси являются частные производные функции по координатам (рис. 6.5)

Рисунок 3.6 – Градиент функции

.

Направление градиента – это направление наиболее быстрого возрастания функции (наиболее крутого “склона” поверхности отклика). Противоположное ему направление (направление антиградиента) – это направление наибыстрейшего убывания (направление наискорейшего “спуска” величин ).

Проекция градиента на плоскость переменных перпендикулярна касательной к линии уровня , т.е. градиент ортогонален к линиям постоянного уровня целевой функции (рис. 3.6).

Рисунок 3.7 – Траектория движения к оптимуму в методе

градиента

В отличие от метода релаксации в методе градиента шаги совершаются в направлении наибыстрейшего уменьшения (увеличения) функции .

Поиск оптимума производится в два этапа. На первом этапе находятся значения частных производных по всем переменным , которые определяют направление градиента в рассматриваемой точке. На втором этапе осуществляется шаг в направлении градиента при поиске максимума или в противоположном направлении – при поиске минимума.

Если аналитическое выражение неизвестно, то направление градиента определяется поиском на объекте пробных движений. Пусть начальная точка. Дается приращение величина , при этом . Определяют приращение и производную

Аналогично определяют производные по остальным переменным. После нахождения составляющих градиента пробные движения прекращаются и начинаются рабочие шаги по выбранному направлению. Причем величина шага тем больше, чем больше абсолютная величина вектора .

При выполнении шага одновременно изменяются значения всех независимых переменных. Каждая из них получает приращение, пропорциональное соответствующей составляющей градиента

, (3.10)

или в векторной форме

, (3.11)

где – положительная константа;

“+” – при поиске max I;

“-” – при поиске min I.

Алгоритм градиентного поиска при нормировании градиента (деление на модуль) применяется в виде

; (3.12)

(3.13)

Определяет величину шага по направлению градиента.

Алгоритм (3.10) обладает тем достоинством, что при приближении к оптимуму длина шага автоматически уменьшается. А при алгоритме (3.12) стратегию изменения можно строить независимо от абсолютной величины коэффициента.

В методе градиента каждый разделяется один рабочий шаг, после которого вновь вычисляются производные, определяется новое направление градиента и процесс поиска продолжается (рис. 3.5).

Если размер шага выбран слишком малым, то движение к оптимуму будет слишком долгим из-за необходимости вычисления в очень многих точках. Если же шаг выбран слишком большим, в район оптимума может возникнуть зацикливание.

Процесс поиска продолжается до тех пор, пока , , не станут близки к нулю или пока не будет достигнута граница области задания переменных.

В алгоритме с автоматическим уточнением шага величину уточняют так, чтобы изменение направления градиента в соседних точках и

Критерии окончания поиска оптимума:

; (3.16)

; (3.17)

где – норма вектора.

Поиск завершается при выполнении одного из условий (3.14) – (3.17).

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.

Метод градиентного спуска.

Направление наискорейшего спуска соответствует направлению наибольшего убывания функции. Известно, что направление наибольшего возрастания функции двух переменных u = f(x, у) характеризуется ее градиентом:

где e1, е2 - единичные векторы (орты) в направлении координатных осей. Следовательно, направление, противоположное градиентному, укажет направление наибольшего убывания функции. Методы, основанные на выборе пути оптимизации с помощью градиента, называются градиентными.

Идея метода градиентного спуска состоит в следующем. Выбираем некоторую начальную точку

вычисляем в ней градиент рассматриваемой функции. Делаем шаг в направлении, обратном градиентному:

Процесс продолжается до получения наименьшего значения целевой функции. Строго говоря, момент окончания поиска наступит тогда, когда движение из полученной точки с любым шагом приводит к возрастанию значения целевой функции. Если минимум функции достигается внутри рассматриваемой области, то в этой точке градиент равен нулю, что также может служить сигналом об окончании процесса оптимизации.

Метод градиентного спуска обладает тем же недостатком, что и метод покоординатного спуска: при наличии оврагов на поверхности сходимость метода очень медленная.

В описанном методе требуется вычислять на каждом шаге оптимизации градиент целевой функции f(х):

Формулы для частных производных можно получить в явном виде лишь в том случае, когда целевая функция задана аналитически. В противном случае эти производные вычисляются с помощью численного дифференцирования:

При использовании градиентного спуска в задачах оптимизации основной объем вычислений приходится обычно на вычисление градиента целевой функции в каждой точке траектории спуска. Поэтому целесообразно уменьшить количество таких точек без ущерба для самого решения. Это достигается в некоторых методах, являющихся модификациями градиентного спуска. Одним из них является метод наискорейшего спуска. Согласно этому методу, после определения в начальной точке направления, противоположного градиенту целевой функции, решают одномерную задачу оптимизации, минимизируя функцию вдоль этого направления. А именно, минимизируется функция:

Для минимизации можно использовать один из методов одномерной оптимизации. Можно и просто двигаться в направлении, противоположном градиенту, делая при этом не один шаг, а несколько шагов до тех пор, пока целевая функция не перестанет убывать. В найденной новой точке снова определяют направление спуска (с помощью градиента) и ищут новую точку минимума целевой функции и т. д. В этом методе спуск происходит гораздо более крупными шагами, и градиент функции вычисляется в меньшем числе точек. Разница состоит в том, что здесь направление одномерной оптимизации определяется градиентом целевой функции, тогда как покоординатный спуск проводится на каждом шаге вдоль одного из координатных направлений.

Метод наискорейшего спуска для случая функции двух переменных z = f(x,y).

Во-первых, легко показать, что градиент функции перпендикулярен касательной к линии уровня в данной точке. Следовательно, в градиентных методах спуск происходит по нормали к линии уровня. Во-вторых, в точке, в которой достигается минимум целевой функции вдоль направления, производная функции по этому направлению обращается в нуль. Но производная функции равна нулю по направлению касательной к линии уровня. Отсюда следует, что градиент целевой функции в новой точке перпендикулярен направлению одномерной оптимизации на предыдущем шаге, т. е. спуск на двух последовательных шагах производится во взаимно перпендикулярных направлениях.

Градиентный метод и его разновидности относятся к самым распространенным методам поиска экстремума функций нескольких переменных. Идея градиентного метода заключается в том, чтобы в процессе поиска экстремума (для определенности максимума) двигаться каждый раз в направлении наибольшего возрастания целевой функции.

Градиентный метод предполагает вычисление первых производных целевой функции по ее аргументам. Он, как и предыдущие, относится к приближенным методам и позволяет, как правило, не достигнуть точки оптимума, а только приблизиться к ней за конечное число шагов.

Рис. 4.11.

Рис. 4.12.

(двумерный случай)

Вначале выбирают начальную точку Если в одномерном случае (см. подпараграф 4.2.6) из нее можно было

сдвинуться только влево или вправо (см. рис. 4.9), то в многомерном случае число возможных направлений перемещения бесконечно велико. На рис. 4.11, иллюстрирующем случай двух переменных, стрелками, выходящими из начальной точки А, показаны различные возможные направления. При этом движение по некоторым из них дает увеличение значения целевой функции по отношению к точке А (например, направления 1-3), а по другим направлениям приводит к его уменьшению (направления 5-8). Учитывая, что положение точки оптимума неизвестно, считается наилучшим то направление, в котором целевая функция возрастает быстрее всего. Это направление называется градиентом функции. Отметим, что в каждой точке координатной плоскости направление градиента перпендикулярно касательной к линии уровня, проведенной через ту же точку.

В математическом анализе доказано, что составляющие вектора градиента функции у =/(*, х 2 , ..., х п) являются ее частными производными по аргументам, т.е.

&ад/(х 1 ,х 2 ,.= {ду/дху,ду/дх 2 , ...,ду/дх п }. (4.20)

Таким образом, при поиске максимума по методу градиента на первой итерации вычисляют составляющие градиента по формулам (4.20) для начальной точки и делают рабочий шаг в найденном направлении, т.е. осуществляется переход в новую точку -0)

У" с координатами:

1§гас1/(х (0)),

или в векторной форме

где X - постоянный или переменный параметр, определяющий длину рабочего шага, ?і>0. На второй итерации снова вычисляют

вектор градиента уже для новой точки.У, после чего по анало-

гичной формуле переходят в точку х^ > и т.д. (рис. 4.12). Для произвольной к- й итерации имеем

Если отыскивается не максимум, а минимум целевой функции, то на каждой итерации делается шаг в направлении, противоположном направлению градиента. Оно называется направлением антиградиента. Вместо формулы (4.22) в этом случае будет

Существует много разновидностей метода градиента, различающихся выбором рабочего шага. Можно, например, переходить в каждую последующую точку при постоянной величине X, и тогда

длина рабочего шага - расстояние между соседними точками х^

их 1 " - окажется пропорциональном модулю вектора градиента. Можно, наоборот, на каждой итерации выбирать X таким, чтобы длина рабочего шага оставалась постоянной.

Пример. Требуется найти максимум функции

у = 110-2(лг, -4) 2 -3(* 2 -5) 2 .

Разумеется, воспользовавшись необходимым условием экстремума, сразу получим искомое решение: х ] - 4; х 2 = 5. Однако на этом простом примере удобно продемонстрировать алгоритм градиентного метода. Вычислим градиент целевой функции:

grad у = {ду/дх-,ду/дх 2 } = {4(4 - *,); 6(5 - х 2)} и выбираем начальную точку

Л*» = {х}°> = 0; 4°> = О}.

Значение целевой функции для этой точки, как легко подсчитать, равно у[х^ j = 3. Положим, X = const = 0,1. Величина градиента в точке

Зс (0) равна grad y|x^j = {16; 30}. Тогда на первой итерации получим согласно формулам (4.21) координаты точки

х 1) = 0 + 0,1 16 = 1,6; х^ = 0 + 0,1 30 = 3.

у(х (1)) = 110 - 2(1,6 - 4) 2 - 3(3 - 5) 2 = 86,48.

Как видно, оно существенно больше предыдущего значения. На второй итерации имеем по формулам (4.22):

• 1,6 + 0,1 4(4 - 1,6) = 2,56;