请使用c++语言,按照以下要求编写c++代码:使用共轭梯度法,求目标函数Q(x)=60-10x1-4x2+x1^2+x2^2的最小值,已知起点x0=[0 0]^T,注意请不要使用例如Eigen的数值优化库
时间: 2024-10-16 15:10:47 浏览: 18
共轭梯度法是一种无矩阵运算的直接优化算法,适合于大型稀疏线性系统的问题。在这里,我们可以手动实现共轭梯度法的核心步骤。首先,我们需要计算目标函数Q(x)及其梯度。对于给定的二元二次函数,目标函数和梯度可以简化为:
目标函数 \( Q(x_1, x_2) = -10x_1 - 4x_2 + x_1^2 + x_2^2 + 60 \)
梯度 \( \nabla Q(x_1, x_2) = [-20 + 2x_1, -4 + 2x_2] \)
接下来是共轭梯度的迭代过程,假设当前点为 \( x_k \),搜索方向为 \( p_k \),步长为 \( \alpha_k \):
1. 初始化:\( x_0 = [0, 0]^T \), \( p_0 = -\nabla Q(x_0) \), \( \alpha_0 = 0 \)
2. 计算搜索方向:\( A = H(x_k) \)(Hessian矩阵,对于这个二次函数,A就是对角矩阵[2, 2])
3. 更新步长:找到最小化 \( Q(x_k + \alpha_k p_k) \) 的 \( \alpha_k \)(通常通过牛顿法则或 Wolfe 条件)
4. 更新位置:\( x_{k+1} = x_k + \alpha_k p_k \)
5. 如果达到停止条件(如绝对误差小于某个阈值),结束;否则更新搜索方向(通常是 \( p_{k+1} = -1} \) ,其中 \( \beta_k \) 根据 Polak-Ribiere 或 Fletcher-Reeves 策略计算)
由于这里是一个简化的例子,我会给出核心代码片段,但完整的循环和停止条件需要你自己添加。以下是基本的共轭梯度迭代代码:
```cpp
#include <iostream>
#include <cmath>
// 目标函数值和梯度
double func(double x1, double x2) {
return -10 * x1 - 4 * x2 + pow(x1, 2) + pow(x2, 2) + 60;
}
void grad(double x1, double x2, double& dx1, double& dx2) {
dx1 = -20 + 2 * x1;
dx2 = -4 + 2 * x2;
}
int main() {
const double tol = 1e-6; // 设置停止条件
double x1 = 0, x2 = 0;
double dx1, dx2, alpha, beta;
double p1 = -dx1, p2 = -dx2;
// 主循环
for (int k = 0; /*此处应添加停止条件*/; ++k) {
grad(x1, x2, dx1, dx2);
// 使用Fletcher-Reeves策略计算beta
beta = (dx1 * p1 + dx2 * p2) / (p1 * p1 + p2 * p2);
// 更新搜索方向
p2 = dx1 - beta * p1;
// 检查是否成为共轭方向
if (fabs(p2[0]) <= tol || fabs(p2[1]) <= tol) {
// 如果不是共轭方向,恢复到原始梯度
p2 = -grad(x1, x2);
beta = 0;
}
// 更新步长并移动
alpha = func(x1, x2) / (p2[0] * dx1 + p2[1] * dx2); // 或使用更复杂的线性搜索
x1 -= alpha * p2[0];
x2 -= alpha * p2[1];
// 打印当前点和进度
std::cout << "Iteration " << k << ": x1=" << x1 << ", x2=" << x2 << ", f(x)=" << func(x1, x2) << std::endl;
}
// 结果
std::cout << "Minimum found at x1=" << x1 << ", x2=" << x2 << ", f_min=" << func(x1, x2) << std::endl;
return 0;
}
```
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