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。

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