MATLAB实现BFGS算法,用wolfe选择步长

BFGS 算法简介

BFGS(Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)算法是一种用于无约束优化问题的准牛顿法。它通过构建和更新近似的海森矩阵(Hessian Matrix)来加速优化过程。BFGS 是一种常用且有效的优化算法,尤其适用于大规模问题。

步长选择:Wolfe 条件

为了选择合适的步长,我们可以使用 Wolfe 条件。这些条件包括:

Armijo 条件(或称为充分下降条件):确保步长不会过大,从而使得目标函数值显著减少。
曲率条件:确保步长不会过小,使得导数的减少足够大。

软约束处理方法

在处理有约束的优化问题时,可以使用软约束方法,例如罚函数法。通过在目标函数中添加一个惩罚项来处理约束条件。

MATLAB 代码示例

以下是一个可以在 MATLAB 中直接运行的代码示例,展示如何使用 BFGS 算法解决实际问题,包括 Wolfe 条件的步长选择和软约束处理。

function bfgs_optimization_example()% 初始值x0 = [1.2; 1.2];% 目标函数objective = @(x) (1 - x(1))^2 + 100 * (x(2) - x(1)^2)^2;% 约束函数constraints = @(x) x(1) + x(2) - 1.5;% 罚函数系数penalty_coeff = 1000;% 优化[x_opt, f_opt] = bfgs(objective, constraints, x0, penalty_coeff);% 结果显示disp('Optimal solution:');disp(x_opt);disp('Optimal objective function value:');disp(f_opt);
endfunction [x_opt, f_opt] = bfgs(objective, constraints, x0, penalty_coeff)% 初始值x = x0;n = length(x);H = eye(n);  % 初始近似海森矩阵% 迭代参数max_iter = 100;tol = 1e-6;% 记录目标函数值f_values = zeros(max_iter, 1);% 创建绘图窗口figure;hold on;xlabel('Iteration');ylabel('Objective Function Value');title('Objective Function Value over Iterations');for iter = 1:max_iter% 计算目标函数和梯度[f, grad] = penalized_objective(objective, constraints, x, penalty_coeff);% 记录当前目标函数值f_values(iter) = f;% 实时更新绘图plot(1:iter, f_values(1:iter), 'b-');drawnow;% 计算搜索方向p = -H * grad;% Wolfe 条件选择步长alpha = line_search_wolfe(objective, constraints, x, p, grad, penalty_coeff);% 更新x_new = x + alpha * p;% 计算新的梯度[~, grad_new] = penalized_objective(objective, constraints, x_new, penalty_coeff);% BFGS 公式更新 Hs = x_new - x;y = grad_new - grad;rho = 1 / (y' * s);H = (eye(n) - rho * s * y') * H * (eye(n) - rho * y * s') + rho * s * s';% 检查收敛if norm(x_new - x) < tolbreak;endx = x_new;endx_opt = x;f_opt = objective(x);
endfunction [f, grad] = penalized_objective(objective, constraints, x, penalty_coeff)% 原始目标函数值和梯度f = objective(x);grad = numerical_gradient(objective, x);% 约束惩罚c = constraints(x);f = f + penalty_coeff * max(0, c)^2;% 约束梯度惩罚if c > 0grad = grad + 2 * penalty_coeff * c * numerical_gradient(@(x) constraints(x), x);end
endfunction grad = numerical_gradient(f, x)% 数值梯度计算epsilon = 1e-8;grad = zeros(length(x), 1);for i = 1:length(x)x1 = x;x1(i) = x1(i) + epsilon;grad(i) = (f(x1) - f(x)) / epsilon;end
endfunction alpha = line_search_wolfe(objective, constraints, x, p, grad, penalty_coeff)% Wolfe 条件的步长选择alpha = 1;c1 = 1e-4;c2 = 0.9;phi = @(a) penalized_objective(objective, constraints, x + a * p, penalty_coeff);[f0, ~] = phi(0);[f_alpha, grad_alpha] = phi(alpha);while f_alpha > f0 + c1 * alpha * grad' * p || grad_alpha' * p < c2 * grad' * palpha = alpha / 2;[f_alpha, grad_alpha] = phi(alpha);end
end

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