【优化方法】牛顿法实例

0. 前言

上一节中已经介绍了牛顿法的一些原理，在本节中举个具体例子，利用牛顿法求解函数最小值。

1. 例子

　　求解下列函数最小值：

　　由于这个函数较为简单，所以利用f对x、y分别求偏导数，再令偏导数等于0，就可以求得极值点，又该函数是凸函数（如果分析不出，可视化函数，如下图），所以极值点就是最小值点，故最小值点（-1，1.5）.在这里的话，利用牛顿迭代法求解函数最小值。

步骤：

2. 实施细节

%% 部分参考【1】
% objective function: f(a,b) = 2*a^2 + b^2 + 2*a*b + a - b
clear;clc;close
A=[4,2;2,2];
x=[2;-2];
tmp=[0;0];
b=[0;0];
delta = 1.0e-8; %前后两次迭代差值
error=1;
k=1;
max_iters = 10000;
history = zeros(max_iters,2);

while(k<=max_iters && error > delta)
b=[4*x(1,1)+2*x(2,1)+1;2*x(2,1)+2*x(1,1)-1];
tmp=x - inv(A)*b;
error=norm(x-tmp,2);
x=tmp;
history(k,1) = x(1);
history(k,2) = x(2);
k = k + 1;
end
x1=x(1,1);
x2=x(2,1);
f=2*x1*x1+x2*x2+2*x1*x2+x1-x2;
fprintf('a=%f,b=%f,f=%f,k=%f',x1,x2,f,k-1);

%% 绘图
[X,Y] = meshgrid(-4:.2:4); % 产生网格数据X和Y
len = size(X);
Z = 2.* power(X,2) + power(Y,2) + 2* X.*Y + X - Y;
[DX,DY] = gradient(Z,0.2,0.2); % 计算曲面上各点处的梯度
subplot(2,2,1);
surfc(X,Y,Z)
xlabel('x');ylabel('y');zlabel('z');
hold on;


subplot(2,2,2);
contour(X,Y,Z,50) ; % 绘制等高线
title('等高线')
 
subplot(2,2,3);
quiver(X,Y,DX,DY); % 绘制梯度场
title('梯度场')
 

subplot(2,2,4);
contour(X,Y,Z,50) ; % 绘制等高线
hold on;
quiver(X,Y,DX,DY) ; % 绘制梯度场
title('梯度场 + 等高线')
xlabel('x');
ylabel('y');
h = get(gca,'Children'); % 获取当前axes对象的所有子对象的句柄
set(h, 'Color','k'); % 设置当前axes对象的所有子对象的颜色为黑色

%% 绘制牛顿法迭代轨迹
x0 = [2,-2];
track = [x0; history];
hold on;
subplot(2,2,4);
plot(track(1:3,1),track(1:3,2),'rx','markersize',5,'linewidth',1);
plot(track(1:3,1),track(1:3,2),'b--','markersize',1,'linewidth',1);

结果：

a=-1.000000,b=1.500000,f=-1.250000,k=2.000000>>

参考文献

【1】 https://zhidao.baidu.com/question/198040354.html

【优化方法】牛顿法实例

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