python内点法采用函数嵌套的形式,即另编写最速下降法和目标函数的梯度函数,在内点法函数中调用 完整代码求最小化问题
时间: 2023-12-22 12:06:22 浏览: 22
以下是一个使用最速下降法实现内点法求解线性规划问题的完整Python代码:
```python
import numpy as np
from scipy import linalg
def lp_objective(x, c):
"""
线性规划的目标函数
:param x: 变量
:param c: 系数
:return: 目标函数值
"""
return np.dot(c, x)
def lp_grad(x, c):
"""
目标函数的梯度
:param x: 变量
:param c: 系数
:return: 目标函数的梯度
"""
return c
def lp_barrier_objective(x, c, A, b, t):
"""
线性规划的对数障碍函数
:param x: 变量
:param c: 系数
:param A: 约束条件的系数矩阵
:param b: 约束条件的右端向量
:param t: 内点法参数
:return: 对数障碍函数值
"""
return lp_objective(x, c) - t * np.sum(np.log(b - np.dot(A, x)))
def lp_barrier_grad(x, c, A, b, t):
"""
对数障碍函数的梯度
:param x: 变量
:param c: 系数
:param A: 约束条件的系数矩阵
:param b: 约束条件的右端向量
:param t: 内点法参数
:return: 对数障碍函数的梯度
"""
return lp_grad(x, c) + t * np.dot(A.T, 1 / (b - np.dot(A, x)))
def backtracking(x, c, A, b, t, dx, alpha=1, rho=0.9, c1=1e-4):
"""
回溯线性搜索算法
:param x: 变量
:param c: 系数
:param A: 约束条件的系数矩阵
:param b: 约束条件的右端向量
:param t: 内点法参数
:param dx: 梯度方向
:param alpha: 初始步长
:param rho: 缩小因子
:param c1: Armijo条件中的常数
:return: 步长
"""
while lp_barrier_objective(x + alpha * dx, c, A, b, t) > lp_barrier_objective(x, c, A, b, t) + c1 * alpha * np.dot(lp_barrier_grad(x, c, A, b, t), dx):
alpha = rho * alpha
return alpha
def lp_interior_point(c, A, b, x0, t=1, mu=10, tol=1e-6, max_iter=100):
"""
线性规划的内点法
:param c: 系数
:param A: 约束条件的系数矩阵
:param b: 约束条件的右端向量
:param x0: 初始解
:param t: 内点法参数
:param mu: 内点法参数
:param tol: 精度要求
:param max_iter: 最大迭代次数
:return: 最优解和最优值
"""
m, n = A.shape
x = x0
for k in range(max_iter):
# 计算当前点的梯度和Hessian矩阵
g = lp_barrier_grad(x, c, A, b, t)
H = np.block([[np.zeros((n, n)), A.T], [A, -np.diag(1 / (b - np.dot(A, x))))]])
# 判断是否满足精度要求
if linalg.norm(g, np.inf) <= tol:
break
# 计算搜索方向和步长
d = linalg.solve(H, -np.concatenate((g, np.zeros(m))))
dx, ds = d[:n], d[n:]
# 计算步长
alpha = backtracking(x, c, A, b, t, dx)
# 更新解
x = x + alpha * dx
# 更新内点法参数
t = mu * t
return x, lp_objective(x, c)
# 测试
c = np.array([1, 2])
A = np.array([[2, 1], [1, 2], [-1, 0], [0, -1]])
b = np.array([3, 3, 0, 0])
x0 = np.array([0, 0])
x, f = lp_interior_point(c, A, b, x0)
print("Optimal value: ", f)
print("Optimal x: ", x)
```
以上代码实现了求解如下线性规划问题:
$$\min_{x_1,x_2} x_1 + 2x_2$$
$$\text{s.t.} \quad 2x_1 + x_2 \leq 3, x_1 + 2x_2 \leq 3, x_1 \geq 0, x_2 \geq 0$$
其中,`lp_interior_point`函数使用内点法求解线性规划问题。`backtracking`函数实现了回溯线性搜索算法,`lp_objective`和`lp_grad`分别是目标函数和目标函数的梯度函数,`lp_barrier_objective`和`lp_barrier_grad`分别是对数障碍函数和对数障碍函数的梯度函数。