MATLAB7.0实现2D共轭梯度法求解无约束线性规划问题

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0 下载量 163 浏览量 更新于2024-10-03 收藏 840B RAR 举报
资源摘要信息:"本资源包含了一个名为'conjugate_grad_2d.rar'的压缩包文件,解压后包含两个主要文件:'conjugate_grad_2d.m'和'***.txt'。其中,'conjugate_grad_2d.m'是一个用Matlab7.0编写的程序,旨在解决线性规划问题中的非约束条件下的最优解问题,而'***.txt'则可能是一个与资源相关联的说明文件或链接地址。本资源特别强调了共轭梯度算法(conjugate gradient)在二维空间(2D)中的应用,并涉及到了线性规划(linear programming)以及约束条件(constraint conditions)的概念。" 知识点详细说明: 1. 共轭梯度法(Conjugate Gradient Method) 共轭梯度法是一种迭代优化算法,用于求解线性方程组或者优化问题,尤其是大型稀疏系统。它特别适用于对称正定矩阵,算法的基本思想是利用已知的梯度信息来构造一个搜索方向,该搜索方向与之前的所有搜索方向共轭(conjugate),从而保证搜索过程中的每次迭代都是独立的。在Matlab环境中实现该算法,可以通过编写函数或脚本来完成。 2. Matlab7.0环境 Matlab是一个高性能的数值计算和可视化软件,广泛应用于工程计算、算法开发、数据分析等领域。Matlab7.0是Matlab的一个早期版本,它具备了数据处理、数值分析、矩阵计算、信号处理与通信、图像处理、绘制函数和数据、以及实现算法等功能。在Matlab环境下编写和运行算法代码,可以快速实现复杂的数学计算和仿真模拟。 3. 线性规划问题(Linear Programming) 线性规划是运筹学的一个重要分支,它研究在一组线性约束条件下,如何有效地对某个线性目标函数进行优化的问题。线性规划问题广泛应用于经济管理、工程技术、交通运输、网络设计等领域。在Matlab中,可以使用内置函数或者自定义函数来求解线性规划问题。 4. 非约束条件下的最优解问题(Unconstrained Optimization) 非约束条件下的最优解问题是指没有限制条件的优化问题,其目标是在整个可行域中找到使得目标函数达到最优值的解。求解这类问题时,我们通常关注的是无约束优化算法,比如梯度下降法、牛顿法、共轭梯度法等。在Matlab中,实现这些算法可以找到函数的最大值或最小值。 5. 约束条件(Constraint Conditions) 约束条件在数学规划中指的是对决策变量的限制或要求。这些条件可以是等式约束也可以是不等式约束,它们定义了问题的可行域。线性规划问题中的约束条件通常是线性的,而在实际应用中,还可能遇到非线性约束条件。Matlab提供了多种工具来处理包括线性和非线性约束在内的约束条件,以便求解约束优化问题。 6. 代码实现(Code Implementation) 在本资源中,'conjugate_grad_2d.m'文件是用Matlab编写的代码文件,可能包含了算法的具体实现逻辑。程序员可以根据算法理论和需求文档来编写代码,代码中需要定义好问题的目标函数、约束条件(如果有的话),并设置迭代终止条件。编写代码时,程序员还需要考虑算法的效率、稳定性和准确性。 7. 二维空间(Two-dimensional Space) 二维空间是一个由两个维度构成的空间,在数学中通常表示为二维平面。在线性规划和优化问题中,特别是在二维空间中应用共轭梯度法,涉及到的操作包括点的坐标变换、向量的运算等。Matlab提供了丰富的二维图形绘制工具,这有助于算法开发人员在开发过程中对问题的几何意义和解的特征进行可视化分析。 请注意,由于缺少具体的代码内容和'***.txt'文件内容,上述知识点主要基于标题和描述中提到的概念。实际应用时,还需要结合具体的代码和相关文档来深入理解算法的实现细节和应用背景。

解释:def conjugate_gradient(fun, grad, x0, iterations, tol): """ Minimization of scalar function of one or more variables using the conjugate gradient algorithm. Parameters ---------- fun : function Objective function. grad : function Gradient function of objective function. x0 : numpy.array, size=9 Initial value of the parameters to be estimated. iterations : int Maximum iterations of optimization algorithms. tol : float Tolerance of optimization algorithms. Returns ------- xk : numpy.array, size=9 Parameters wstimated by optimization algorithms. fval : float Objective function value at xk. grad_val : float Gradient value of objective function at xk. grad_log : numpy.array The record of gradient of objective function of each iteration. """ fval = None grad_val = None x_log = [] y_log = [] grad_log = [] x0 = asarray(x0).flatten() # iterations = len(x0) * 200 old_fval = fun(x0) gfk = grad(x0) k = 0 xk = x0 # Sets the initial step guess to dx ~ 1 old_old_fval = old_fval + np.linalg.norm(gfk) / 2 pk = -gfk x_log = np.append(x_log, xk.T) y_log = np.append(y_log, fun(xk)) grad_log = np.append(grad_log, np.linalg.norm(xk - x_log[-1:])) gnorm = np.amax(np.abs(gfk)) sigma_3 = 0.01 while (gnorm > tol) and (k < iterations): deltak = np.dot(gfk, gfk) cached_step = [None] def polak_ribiere_powell_step(alpha, gfkp1=None): xkp1 = xk + alpha * pk if gfkp1 is None: gfkp1 = grad(xkp1) yk = gfkp1 - gfk beta_k = max(0, np.dot(yk, gfkp1) / deltak) pkp1 = -gfkp1 + beta_k * pk gnorm = np.amax(np.abs(gfkp1)) return (alpha, xkp1, pkp1, gfkp1, gnorm) def descent_condition(alpha, xkp1, fp1, gfkp1): # Polak-Ribiere+ needs an explicit check of a sufficient # descent condition, which is not guaranteed by strong Wolfe. # # See Gilbert & Nocedal, "Global convergence properties of # conjugate gradient methods for optimization", # SIAM J. Optimization 2, 21 (1992). cached_step[:] = polak_ribiere_powell_step(alpha, gfkp1) alpha, xk, pk, gfk, gnorm = cached_step # Accept step if it leads to convergence. if gnorm <= tol: return True # Accept step if sufficient descent condition applies. return np.dot(pk, gfk) <= -sigma_3 * np.dot(gfk, gfk) try: alpha_k, fc, gc, old_fval, old_old_fval, gfkp1 = \ _line_search_wolfe12(fun, grad, xk, pk, gfk, old_fval, old_old_fval, c2=0.4, amin=1e-100, amax=1e100, extra_condition=descent_condition) except _LineSearchError: break # Reuse already computed results if possible if alpha_k == cached_step[0]: alpha_k, xk, pk, gfk, gnorm = cached_step else: alpha_k, xk, pk, gfk, gnorm = polak_ribiere_powell_step(alpha_k, gfkp1) k += 1 grad_log = np.append(grad_log, np.linalg.norm(xk - x_log[-1:])) x_log = np.append(x_log, xk.T) y_log = np.append(y_log, fun(xk)) fval = old_fval grad_val = grad_log[-1] return xk, fval, grad_val, x_log, y_log, grad_log

2023-06-06 上传