Метод Ньютона. Проблема области сходимости. Метод парабол. Совмещение методов Ньютона и парабол
Материал из MachineLearning.
Содержание |
Постановка задачи одномерной оптимизации
Задача одномерной оптимизации определяется следующим образом:
- Допустимое множество — множество ;
- Целевую функцию — отображение ;
- Критерий поиска (max или min).
Тогда решить задачу означает одно из:
- Показать, что .
- Показать, что целевая функция не ограничена.
- Найти .
- Если , то найти .
Если минимизируемая функция не является выпуклой, то часто ограничиваются поиском локальных минимумов и максимумов: точек таких, что всюду в некоторой их окрестности для минимума и для максимума.
Если допустимое множество , то такая задача называется задачей безусловной оптимизации, в противном случае — задачей условной оптимизации.
Метод Ньютона
Это итерационный численный метод нахождения корня (нуля) заданной функции. Метод был впервые предложен английским физиком, математиком и астрономом Исааком Ньютоном (1643—1727), под именем которого и обрёл свою известность. Поиск решения осуществляется путём построения последовательных приближений и основан на принципах простой итерации. Метод обладает квадратичной сходимостью. В случае решения задач оптимизации предполагается, что функция дважды непрерывно дифференцируема. Отыскание минимума функции производится при помощи отыскания стационарной точки, т.е. точки , удовлетворяющей уравнению , которое решается методом Ньютона.
Если – точка, полученная на k-м шаге, то функция аппроксимируется своим уравнением касательной:
а точка выбирается как пересечение этой прямой с осью , т.е.
.
Неудобство этого метода состоит в необходимости вычисления в каждой точке первой и второй производных. Значит, он применим лишь тогда, когда функция имеет достаточно простую аналитическую форму, чтобы производные могли быть вычислены в явном виде вручную. Действительно, всякий раз, когда решается новая задача, необходимо выбрать две специфические подпрограммы (функции) вычисления производных и , что не позволяет построить общие алгоритмы, т.е. применимые к функции любого типа.
Когда начальная точка итераций достаточно близка к искомому минимуму, скорость сходимости метода Ньютона в общем случае квадратическая. Однако, глобальная сходимость метода Ньютона, вообще говоря, не гарантируется.
Хороший способ гарантировать глобальную сходимость этого метода состоит в комбинировании его с другим методом для быстрого получения хорошей аппроксимации искомого оптимума. Тогда несколько итераций метода Ньютона, с этой точкой в качестве исходной, достаточны для получения превосходной точности.
Ограничения
Пускай задано уравнение , где и надо найти его решение.
Ниже приведена формулировка основной теоремы, которая позволяет дать чёткие условия применимости. Теорема Канторовича.
Если существуют такие константы , что:
- на , то есть существует и не равна нулю;
- на , то есть ограничена;
- на , и ;
Причём длина рассматриваемого отрезка . Тогда справедливы следующие утверждения:
- на существует корень уравнения ;
- если , то итерационная последовательность сходится к этому корню: ;
- погрешность может быть оценена по формуле .
Из последнего из утверждений теоремы в частности следует квадратичная сходимость метода:
Тогда ограничения на исходную функцию будут выглядеть так:
- функция должна быть ограничена;
- функция должна быть гладкой, дважды дифференцируемой;
- её первая производная равномерно отделена от нуля;
- её вторая производная должна быть равномерно ограничена.
В случае решения задачи оптимизации под функцией понимаем ее производную.
Проблема области сходимости
Запишем итерационный процесс:
.
Известно, что условием сходимости этого процесса будет неравенство
,
где , отсюда получем условие сходимости:
.
В силу того что мы ищем корень уравнения , существует такая окрестность, где , но в общем случае эта область будет мала, то есть нужно подбирать начальное приближение достаточно близко расположенным к корню.
Теорма о сходимости метода Ньютона Пусть - простой вещественный корень уравнения , а функция - дважды дифференцируема в некоторой окрестности , причем первая произодная нигде не обращается в нуль.
Тогда, следуя обозначениям
,
При выборе начального приближения из той же окрестности такого, что
,
итерационная последовательность
будет сходиться к , причем для погрешности на k-м шаге буддет справедлива оценка:
.
Метод парабол
Относительно метода Ньютона этот метод обладает тем преимуществом, что он не требует вычисления производных функции . Однако, его сходимость может быть гарантирована лишь для достаточно регулярных функций (непрерывных и много раз дифференцируемых).
В этом методе вычисляется значение функции сразу в трех близлежащих точках , , , где h – малое число. Через эти три точки проводится интерполяционная парабола:
.
Минимум параболы достигается при , т.е. при . Для трех точек получаем систему трех линейных уравнений для коэффициентов a, b, c. Находим a и b и тогда:
.
Численный пример
Сравним работу методов Ньютона и парабол на примере много экстремальной функции при одинаковом начальном приближении:
номер итерации | полученное методом Ньютона | полученное методом парабол | |||
---|---|---|---|---|---|
10 | x=2.78; y=7.55; | x=2.39; y=6.39; | x=1.73; y=6.87; | 6.725 | |
20 | x=2.63; y=6.96; | x=2.70; y=7.29; | x=2.64; y=6.88; | 2.769 | |
30 | x=2.24; y=4.94; | x=2.35; y=5.50; | x=2.42; y=5.86; | 1.823 | |
40 | x=1.90; y=3.58; | x=1.83; y=3.38; | x=1.97; y=3.89; | 0.821 | |
50 | x=1.51; y=2.28; | x=1.53; y=2.36; | x=1.57; y=2.47; | 0.273 | |
60 | x=1.20; y=1.42; | x=1.23; y=1.51; | x=1.27; y=1.61; | 0.050 | 0.079 |
70 | x=0.99; y=0.97; | x=1.01; y=1.02; | x=0.96; y=0.93; | 0.000 |
Литература
- А.А.Самарский, А.В.Гулин. Численные методы М.: Наука, 1989.
- А.А.Самарский. Введение в численные методы М.: Наука, 1982.
- Н.В.Соснин. Численные методы. Конспект лекций (сост. Д.В.Ховратович, Е.А.Попов).
- М.М.Потапов. Методы оптимизаций. Конспект лекций (сост. М.Л.Буряков).
- Е.А.Волков. Численные методы. — М.: Физматлит, 2003.