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作者:莫斑炜
编者按:本文使用SciPy的optimize模块来求解非线性规划问题,结合实际例子,引入非线性规划问题的求解算法及相应函数的调用。
本文提纲一维搜索/单变量优化问题
无约束多元优化问题
非线性最小二乘问题
约束优化问题
非线性规划问题的目标函数或约束条件是非线性的。本文使用SciPy的optimize模块来求解非线性规划问题。
目标函数和约束条件是否连续光滑是非常重要的性质,这是因为如果光滑,则所有决策变量可微,多变量函数的偏导数组成的向量为梯度,梯度是指向目标函数增长最快的方向。将目标函数梯度作为搜索方向,对非线性规划问题的求解具有重要的意义。这些函数或其导数\梯度的不连续性给许多现有的非线性优化问题的求解带来了困难。在下文中,我们假设这些函数是连续且光滑的。
# Importing Modules
from scipy import optimize
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import sympy
1、一维搜索/单变量优化问题(Univariate Optimization)
无约束非线性规划最简单的形式是一维搜索。一维搜索通常作为多维优化问题中的一部分出现,比如梯度下降法中每次最优迭代步长的估计。求解一维搜索常用的两类方法是函数逼近法和区间收缩法。其中函数逼近法是指用较简单的函数近似代替原来的函数,用近似函数的极小点来估计原函数的极小点,比如牛顿法;区间收缩法对于一个单谷函数通过迭代以不断缩小该区间的长度,当区间长度足够小时,可将该区间中的一点作为函数的极小点,比如黄金分割法。
e.g. 最小化一个单位体积的圆柱体的表面积。
r, h = sympy.symbols("r, h")
Area = 2 * sympy.pi * r**2 + 2 * sympy.pi * r * h
Volume = sympy.pi * r**2 * h
h_r = sympy.solve(Volume - 1)[0]
Area_r = Area.subs(h_r)
rsol = sympy.solve(Area_r.diff(r))[0]
rsol.evalf()
# 0.541926070139289
# 再验证二阶导数为正且rsol对应最小值
Area_r.diff(r, 2).subs(r, rsol)
Area_r.subs(r, rsol)
_.evalf()
# 5.53581044593209
使用SciPy中optimize模块中的brent()函数来最小化一维函数。brent方法是一种混合方法,结合了牛顿法和二分法,既能保证稳定性又能快速收敛,通常是SciPy一维搜索的首选方法。
首先定义一个Python函数f作为目标函数。将f传给optimize.brent,参数brack表示指定算法的开始区间。
def f(r):
return 2 * np.pi * r**2 + 2 / r
r_m
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