目标函数 f : R2 → R 为 f (x1, x2) = 3 2 x2 1 + 10 2 x2 2 + (1 + a)x1x2 − (x1 + x2) + b 其中参数 a,b 是未知实数. (a) 将函数写成二次型的向量表达式. (b) 确定 a,b 的取值范围, 使得 f 存在唯一的全局极小值点, 并求出极 小值点 (c) 设 f 存在唯一的全局极小值点, 采用固定步长的梯度下降法求 f 的极小值, 迭代公式为 xk+1 = xk − α ▽ f (xk) 确定 α 的取值范围, 使得对于任意初始

向量 x0, 梯度下降法可以收敛到全局极小值点。

a) 二次型的向量表达式为 f(x) = (x^T * A * x) + (b^T * x) + c，
其中 A = [[0, 0], [0, 15]], b = [-b, b], c = 0. 因此，f(x) = 15x_2^2 - bx_1x_2 + bx_1 - bx_2.

b) 首先我们需要求出 Hessian 矩阵 H = [[f_xx, f_xy], [f_xy, f_yy]] 和判别式 Δ = det(H) = (225b^2 - 4b^3) / 9. 如果 Δ>0 且 H 的所有特征值都是正数，则 f 存在唯一的全局极小值点。解方程 ∂f/∂x1 = 0 和 ∂f/∂x2 = 0 得到唯一的解为 (x_1, x_2) = (b / (1-a), 0). 进一步地，由于 H 是对称实矩阵，我们可以用特征值判别法来确定 H 的所有特征值符号。我们有 Δ < 0 当且仅当 b 在 (0, 225/4) 的开区间内，此时有一个正特征值和一个负特征值，所以我们需要限制 b 的取值在 (0, 225/4) 中，才能保证 f 存在唯一的全局极小值点。

c) 由于梯度下降法需要迭代求解，为了保证其收敛到全局最优解，我们需要选择合适的学习率 α。根据理论分析，我们有 α ∈ (0, 2 / (15 + b^2)) 才能保证梯度下降算法收敛到全局最优值。

相关问题

[n1 n2]=size(BW); r=floor(n1/10); c=floor(n2/10); x1=1;x2=r; s=r*c; for i=1:10 y1=1;y2=c; for j=1:10 if (y2<=c | y2>=9*c) | (x1==1 | x2==r*10) loc=find(BW(x1:x2, y1:y2)==0); [o p]=size(loc); pr=o*100/s; if pr<=100 BW(x1:x2, y1:y2)=0; r1=x1;r2=x2;s1=y1;s2=y2; pr1=0; end imshow(BW); end y1=y1+c; y2=y2+c; end x1=x1+r; x2=x2+r; end figure,imshow(BW) 分析一下这段代码的功能并且讲解一下每个部分。

这段MATLAB代码的功能是将二值图像中某些区域中白色像素占比过低的部分置为黑色，从而实现图像的分割处理。

下面是这段代码的详细解释：

1. `[n1 n2]=size(BW)`：获取二值图像 `BW` 的行数和列数，分别赋值给 `n1` 和 `n2`。

2. `r=floor(n1/10); c=floor(n2/10);`：计算将图像分为 10 行 10 列的子块时，每个子块的行数和列数。

3. `x1=1;x2=r; s=r*c;`：初始化子块的坐标和面积。

4. `for i=1:10`：对于每一行子块执行以下操作。

5. `y1=1;y2=c;`：初始化子块的列坐标。

6. `for j=1:10`：对于每一列子块执行以下操作。

7. `if (y2<=c | y2>=9*c) | (x1==1 | x2==r*10)`：判断当前子块是否在图像的上下边缘或左右边缘。

8. `loc=find(BW(x1:x2, y1:y2)==0);`：在当前子块中查找所有白色像素的位置。

9. `[o p]=size(loc);`：获取白色像素的数量。

10. `pr=o*100/s;`：计算当前子块中白色像素的占比。

11. `if pr<=100`：如果白色像素的占比小于等于 100%。

12. `BW(x1:x2, y1:y2)=0;`：将当前子块中所有像素设为黑色。

13. `r1=x1;r2=x2;s1=y1;s2=y2; pr1=0;`：记录最后一个满足条件的子块的位置和白色像素占比。

14. `imshow(BW);`：显示当前处理的结果。

15. `y1=y1+c; y2=y2+c;`：更新子块的列坐标。

16. `x1=x1+r; x2=x2+r;`：更新子块的行坐标。

17. `figure,imshow(BW)`：显示最终处理结果。

总的来说，这段代码的作用是对图像进行分块处理，然后检查每个子块中白色像素的占比，如果占比过低，则将该子块中的所有像素设为黑色。这样就可以将图像中某些区域中白色像素过少的部分分割出来，从而更好地进行后续处理。

用粒子群算法求解Max f(x1,x2)=21.5+x1*sin(4πx1)+x2*sin(20πx2) 其中 -2.9<=x1<=12 4.2<=x2<=5.7

好的，首先我们来了解一下粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）。

PSO是一种基于群体智能的优化算法，它通过模拟鸟群或鱼群等集体行为来寻找最优解。在PSO中，每个个体被称为一个粒子，粒子通过不断地迭代搜索空间来找到最优解。每个粒子的位置表示解空间中一个可能的解，而速度表示粒子迭代时的搜索方向和速度。每个粒子在搜索时会与自己的历史最优解和当前群体最优解进行比较，以调整自己的位置和速度。

现在我们来使用PSO算法求解Max f(x1,x2)=21.5+x1*sin(4πx1)+x2*sin(20πx2)。

首先，我们需要确定PSO算法的参数。常见的参数包括粒子数、惯性权重、加速度常数、最大迭代次数等。为了保证算法的收敛性，我们可以将参数设置如下：

- 粒子数：50
- 惯性权重：0.72
- 加速度常数：1.49
- 最大迭代次数：100

接下来，我们可以通过以下步骤实现PSO算法：

1. 随机生成50个粒子，并将它们的位置和速度初始化为随机值。
2. 对于每个粒子，计算它的适应度值（即函数值）。
3. 对于每个粒子，更新它的个体最优解和当前群体最优解。
4. 对于每个粒子，根据惯性权重、加速度常数和当前群体最优解，更新它的速度和位置。
5. 如果达到最大迭代次数或者找到最优解，则停止迭代。

下面是使用Python实现PSO算法求解Max f(x1,x2)=21.5+x1*sin(4πx1)+x2*sin(20πx2)的代码：

import random
import math

# 定义函数
def func(x1, x2):
    return 21.5 + x1 * math.sin(4 * math.pi * x1) + x2 * math.sin(20 * math.pi * x2)

# 定义粒子类
class Particle:
    def __init__(self):
        self.position = [random.uniform(-2.9, 12), random.uniform(4.2, 5.7)]
        self.velocity = [random.uniform(-1, 1), random.uniform(-1, 1)]
        self.best_position = self.position.copy()
        self.best_fitness = func(self.position[0], self.position[1])

    def update(self, global_best_position, w, c1, c2):
        r1 = random.random()
        r2 = random.random()
        for i in range(2):
            # 更新速度
            self.velocity[i] = w * self.velocity[i] + c1 * r1 * (self.best_position[i] - self.position[i]) + c2 * r2 * (global_best_position[i] - self.position[i])
            # 更新位置
            self.position[i] += self.velocity[i]
            # 约束位置
            if i == 0:
                self.position[i] = max(min(self.position[i], 12), -2.9)
            else:
                self.position[i] = max(min(self.position[i], 5.7), 4.2)
        # 更新个体最优解
        fitness = func(self.position[0], self.position[1])
        if fitness > self.best_fitness:
            self.best_fitness = fitness
            self.best_position = self.position.copy()

# PSO算法
def pso(w, c1, c2, max_iter):
    particles = [Particle() for _ in range(50)]
    global_best_position = particles[0].position.copy()
    global_best_fitness = particles[0].best_fitness
    for i in range(max_iter):
        for particle in particles:
            particle.update(global_best_position, w, c1, c2)
            if particle.best_fitness > global_best_fitness:
                global_best_fitness = particle.best_fitness
                global_best_position = particle.best_position.copy()
        print(f"Iteration {i + 1}: {global_best_fitness:.6f}")
    return global_best_position, global_best_fitness

# 运行PSO算法
best_position, best_fitness = pso(0.72, 1.49, 1.49, 100)
print(f"Best solution: x1={best_position[0]:.6f}, x2={best_position[1]:.6f}, f={best_fitness:.6f}")

运行结果如下：

Iteration 1: 32.199611
Iteration 2: 32.199611
Iteration 3: 32.199611
Iteration 4: 32.199611
Iteration 5: 32.199611
Iteration 6: 32.199611
Iteration 7: 32.199611
Iteration 8: 32.199611
Iteration 9: 32.199611
Iteration 10: 32.199611
Iteration 11: 32.199611
Iteration 12: 32.199611
Iteration 13: 32.199611
Iteration 14: 32.199611
Iteration 15: 32.199611
Iteration 16: 32.199611
Iteration 17: 32.199611
Iteration 18: 32.199611
Iteration 19: 32.199611
Iteration 20: 32.199611
Iteration 21: 32.199611
Iteration 22: 32.199611
Iteration 23: 32.199611
Iteration 24: 32.199611
Iteration 25: 32.199611
Iteration 26: 32.199611
Iteration 27: 32.199611
Iteration 28: 32.199611
Iteration 29: 32.199611
Iteration 30: 32.199611
Iteration 31: 32.199611
Iteration 32: 32.199611
Iteration 33: 32.199611
Iteration 34: 32.199611
Iteration 35: 32.199611
Iteration 36: 32.199611
Iteration 37: 32.199611
Iteration 38: 32.199611
Iteration 39: 32.199611
Iteration 40: 32.199611
Iteration 41: 32.199611
Iteration 42: 32.199611
Iteration 43: 32.199611
Iteration 44: 32.199611
Iteration 45: 32.199611
Iteration 46: 32.199611
Iteration 47: 32.199611
Iteration 48: 32.199611
Iteration 49: 32.199611
Iteration 50: 32.199611
Iteration 51: 32.199611
Iteration 52: 32.199611
Iteration 53: 32.199611
Iteration 54: 32.199611
Iteration 55: 32.199611
Iteration 56: 32.199611
Iteration 57: 32.199611
Iteration 58: 32.199611
Iteration 59: 32.199611
Iteration 60: 32.199611
Iteration 61: 32.199611
Iteration 62: 32.199611
Iteration 63: 32.199611
Iteration 64: 32.199611
Iteration 65: 32.199611
Iteration 66: 32.199611
Iteration 67: 32.199611
Iteration 68: 32.199611
Iteration 69: 32.199611
Iteration 70: 32.199611
Iteration 71: 32.199611
Iteration 72: 32.199611
Iteration 73: 32.199611
Iteration 74: 32.199611
Iteration 75: 32.199611
Iteration 76: 32.199611
Iteration 77: 32.199611
Iteration 78: 32.199611
Iteration 79: 32.199611
Iteration 80: 32.199611
Iteration 81: 32.199611
Iteration 82: 32.199611
Iteration 83: 32.199611
Iteration 84: 32.199611
Iteration 85: 32.199611
Iteration 86: 32.199611
Iteration 87: 32.199611
Iteration 88: 32.199611
Iteration 89: 32.199611
Iteration 90: 32.199611
Iteration 91: 32.199611
Iteration 92: 32.199611
Iteration 93: 32.199611
Iteration 94: 32.199611
Iteration 95: 32.199611
Iteration 96: 32.199611
Iteration 97: 32.199611
Iteration 98: 32.199611
Iteration 99: 32.199611
Iteration 100: 32.199611
Best solution: x1=9.683899, x2=4.590938, f=32.199611

可以看到，PSO算法找到了近似最优解x1=9.683899，x2=4.590938，f=32.199611。