Метод градиентного спуска.

Направление наискорейшего спуска соответствует направлению наибольшего убывания функции. Известно, что направление наибольшего возрастания функции двух переменных u = f(x, у) характеризуется ее градиентом:

где e1, е2 - единичные векторы (орты) в направлении координатных осей. Следовательно, направление, противоположное градиентному, укажет направление наибольшего убывания функции. Методы, основанные на выборе пути оптимизации с помощью градиента, называются градиентными.

Идея метода градиентного спуска состоит в следующем. Выбираем некоторую начальную точку

вычисляем в ней градиент рассматриваемой функции. Делаем шаг в направлении, обратном градиентному:

Процесс продолжается до получения наименьшего значения целевой функции. Строго говоря, момент окончания поиска наступит тогда, когда движение из полученной точки с любым шагом приводит к возрастанию значения целевой функции. Если минимум функции достигается внутри рассматриваемой области, то в этой точке градиент равен нулю, что также может служить сигналом об окончании процесса оптимизации.

Метод градиентного спуска обладает тем же недостатком, что и метод покоординатного спуска: при наличии оврагов на поверхности сходимость метода очень медленная.

В описанном методе требуется вычислять на каждом шаге оптимизации градиент целевой функции f(х):

Формулы для частных производных можно получить в явном виде лишь в том случае, когда целевая функция задана аналитически. В противном случае эти производные вычисляются с помощью численного дифференцирования:

При использовании градиентного спуска в задачах оптимизации основной объем вычислений приходится обычно на вычисление градиента целевой функции в каждой точке траектории спуска. Поэтому целесообразно уменьшить количество таких точек без ущерба для самого решения. Это достигается в некоторых методах, являющихся модификациями градиентного спуска. Одним из них является метод наискорейшего спуска. Согласно этому методу, после определения в начальной точке направления, противоположного градиенту целевой функции, решают одномерную задачу оптимизации, минимизируя функцию вдоль этого направления. А именно, минимизируется функция:

Для минимизации можно использовать один из методов одномерной оптимизации. Можно и просто двигаться в направлении, противоположном градиенту, делая при этом не один шаг, а несколько шагов до тех пор, пока целевая функция не перестанет убывать. В найденной новой точке снова определяют направление спуска (с помощью градиента) и ищут новую точку минимума целевой функции и т. д. В этом методе спуск происходит гораздо более крупными шагами, и градиент функции вычисляется в меньшем числе точек. Разница состоит в том, что здесь направление одномерной оптимизации определяется градиентом целевой функции, тогда как покоординатный спуск проводится на каждом шаге вдоль одного из координатных направлений.

Метод наискорейшего спуска для случая функции двух переменных z = f(x,y).

Во-первых, легко показать, что градиент функции перпендикулярен касательной к линии уровня в данной точке. Следовательно, в градиентных методах спуск происходит по нормали к линии уровня. Во-вторых, в точке, в которой достигается минимум целевой функции вдоль направления, производная функции по этому направлению обращается в нуль. Но производная функции равна нулю по направлению касательной к линии уровня. Отсюда следует, что градиент целевой функции в новой точке перпендикулярен направлению одномерной оптимизации на предыдущем шаге, т. е. спуск на двух последовательных шагах производится во взаимно перпендикулярных направлениях.

Также можно искать не наилучшую точку в направлении градиента, а какую-либо лучше текущей.

Наиболее простой в реализации из всех методов локальной оптимизации. Имеет довольно слабые условия сходимости, но при этом скорость сходимости достаточно мала (линейна). Шаг градиентного метода часто используется как часть других методов оптимизации, например, метод Флетчера - Ривса .

Описание [ | ]

Усовершенствования [ | ]

Метод градиентного спуска оказывается очень медленным при движении по оврагу, причём при увеличении числа переменных целевой функции такое поведение метода становится типичным. Для борьбы с этим явлением используется, суть которого очень проста. Сделав два шага градиентного спуска и получив три точки, третий шаг следует сделать в направлении вектора, соединяющего первую и третью точку, вдоль дна оврага.

Для функций, близких к квадратичным, эффективным является метод сопряжённых градиентов .

Применение в искусственных нейронных сетях [ | ]

Метод градиентного спуска с некоторой модификацией широко применяется для обучения перцептрона и в теории искусственных нейронных сетей известен как метод обратного распространения ошибки . При обучении нейросети типа «персептрон» требуется изменять весовые коэффициенты сети так, чтобы минимизировать среднюю ошибку на выходе нейронной сети при подаче на вход последовательности обучающих входных данных. Формально, чтобы сделать всего один шаг по методу градиентного спуска (сделать всего одно изменение параметров сети), необходимо подать на вход сети последовательно абсолютно весь набор обучающих данных, для каждого объекта обучающих данных вычислить ошибку и рассчитать необходимую коррекцию коэффициентов сети (но не делать эту коррекцию), и уже после подачи всех данных рассчитать сумму в корректировке каждого коэффициента сети (сумма градиентов) и произвести коррекцию коэффициентов «на один шаг». Очевидно, что при большом наборе обучающих данных алгоритм будет работать крайне медленно, поэтому на практике часто производят корректировку коэффициентов сети после каждого элемента обучения, где значение градиента аппроксимируются градиентом функции стоимости, вычисленном только на одном элементе обучения. Такой метод называют стохастическим градиентным спуском или оперативным градиентным спуском . Стохастический градиентный спуск является одной из форм стохастического приближения. Теория стохастических приближений даёт условия сходимости метода стохастического градиентного спуска.

Ссылки [ | ]

• J. Mathews. Module for Steepest Descent or Gradient Method. (недоступная ссылка)

Литература [ | ]

• Акулич И. Л. Математическое программирование в примерах и задачах. - М. : Высшая школа, 1986. - С. 298-310.
• Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация = Practical Optimization. - М. : Мир, 1985.
• Коршунов Ю. М., Коршунов Ю. М. Математические основы кибернетики. - М. : Энергоатомиздат, 1972.
• Максимов Ю. А., Филлиповская Е. А. Алгоритмы решения задач нелинейного программирования. - М. : МИФИ, 1982.
• Максимов Ю. А. Алгоритмы линейного и дискретного программирования. - М. : МИФИ, 1980.
• Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М. : Наука, 1970. - С. 575-576.
• С. Ю. Городецкий, В. А. Гришагин. Нелинейное программирование и многоэкстремальная оптимизация. - Нижний Новгород: Издательство Нижегородского Университета, 2007. - С. 357-363.

Наконец, параметр m можно задавать постоянным на всех итерациях. Однако при больших значениях m процесс поиска может расходиться. Хорошим способом выбора m может быть его определение на первой итерации из условия экстремума по направлению градиента. На последующих итерациях m остается постоянным. Это еще более упрощает вычисления.

Например, для функции при с проекциями градиентов методом наискорейшего спуска определен . Примем параметр постоянным на всех итерациях.

Вычисляем координаты х (1) :

Для вычисления координат точки х (2) находим проекции градиента в точке х (1) : , тогда

и т.д.

Данная последовательность также сходится.

Шаговый градиентный метод

Этот метод разработан инженерами и заключается в том, что шаг по одной из переменных берется постоянным, а для других переменных он выбирается исходя из пропорциональности градиентов точках. Этим как бы масштабируют экстремальную поверхность, т.к. не по всем переменным сходимость одинакова. Поэтому выбором различных шагов для координат пытаются сделать скорость сходимости примерно одинаковой по всем переменным.

Пусть дана сепарабельная функция и начальная точка . Зададимся постоянным шагом по координате х 1 , пусть Dх 1 =0,2. Шаг по координате х 2 находим из соотношения градиентов и шагов.

Градиентные методы оптимизации

Задачи оптимизации с нелинейными или трудно вычислимыми соотноше­ниями, определяющими критерий оптимизации и ограничения, являются предметом нелинейного программирования. Как правило, решения задач не­линейного программирования могут быть найдены лишь численными мето­дами с применением вычислительной техники. Среди них наиболее часто пользуются градиентными методами (методы релаксации, градиента, наиско­рейшего спуска и восхождения), безградиентными методами детерминиро­ванного поиска (методы сканирования, симплексный и др.), методами случай­ного поиска. Все эти методы применяются при численном определении опти-мумов и достаточно широко освещены в специальной литературе.

В общем случае значение критерия оптимизации R может рассматри­ваться как функция R (х ь хь ..., х п), определенная в л-мерном пространстве. Поскольку не существует наглядного графического изображения я-мерного пространства, воспользуемся случаем двумерного пространства.

Если R (л ь х 2) непрерывна в области D, то вокруг оптимальной точки M°(xi°, х г °) можно провести в данной плоскости замкнутую линию, вдоль ко­торой значение R = const. Таких линий, называемых линиями равных уровней, вокруг оптимальной точки можно провести множество (в зависимости от шага

Среди методов, применяемых для решения задач нелинейного програм­мирования, значительное место занимают методы поиска решений, основан­ные на анализе производной по направлению оптимизируемой функции. Если в каждой точке пространства скалярная функция нескольких переменных принимает вполне определенные значения, то в данном случае имеем дело со скалярным полем (поле температур, поле давлений, поле плотностей и т.д.). Подобным образом определяется векторное поле (поле сил, скоростей и т.д.). Изотермы, изобары, изохроны и т.д. - все это линии (поверхности) равных уровней, равных значений функции (температуры, давления, объема и т.д.). Поскольку от точки к точке пространства значение функции меняется, то ста­новится необходимым определение скорости изменения функции в простран­стве, то есть производной по направлению.

Понятие градиента широко используется в инженерных расчетах при на­хождении экстремумов нелинейных функций. Градиентные методы относятся к численным методам поискового типа. Они универсальны и особенно эффек­тивны в случаях поиска экстремумов нелинейных функций с ограничениями, а также когда аналитическая функция неизвестна совсем. Сущность этих мето­дов заключается в определении значений переменных, обеспечивающих экс­тремум функции цели, путем движения по градиенту (при поиске max) или в противоположном направлении (min). Различные градиентные методы отли­чаются один от другого способом определения движения к оптимуму. Суть заключается в том, что если линии равных уровней R{xu x i) характеризуют графически зависимость R(x\jc?), то поиск оптимальной точки можно вести по-разному. Например, изобразить сетку на плоскости х\, хг с указанием зна­чений R в узлах сетки (рис. 2.13).

Затем можно выбрать из узловых значений экстремальное. Путь этот не рациональный, связан с большим количеством вычислений, да и точность не­велика, так как зависит от шага, а оптимум может находиться между узлами.

Численные методы

Математические модели содержат соотношения, составленные на основе теоретического анализа изучаемых процессов или полученные в результате обработки экспериментов (таблиц данных, графиков). В любом случае мате матическая модель лишь приближенно описывает реальный процесс. Поэтом} вопрос точности, адекватности модели является важнейшим. Необходимости приближений возникает и при самом решении уравнений. До недавних пор модели, содержащие нелинейные дифференциальные уравнения или диффе ренциальные уравнения в частных производных, не могли быть решены ана литическими методами. Это же относится к многочисленным классам небе рущихся интегралов. Однако разработка методов численного анализа позво лила необозримо раздвинуть границы возможностей анализа математических моделей, особенно это стало реальным с применением ЭВМ.

Численные методы используются для приближения функций, для реше ния дифференциальных уравнений и их систем, для интегрирования и диффе ренцирования, для вычисления числовых выражений.

Функция может быть задана аналитически, таблицей, графиком. При вы полнении исследований распространенной задачей является приближение функции аналитическим выражением, удовлетворяющим поставленным уело виям. При этом решаются четыре задачи:

Выбор узловых точек, проведение экспериментов при определен­ных значениях (уровнях) независимых переменных (при непра­вильном выборе шага изменения фактора либо «пропустим» ха­рактерную особенность изучаемого процесса, либо удлиним про­цедуру и повысим трудоемкость поиска закономерности);

Выбор приближающих функций в виде многочленов, эмпириче­ских формул в зависимости от содержания конкретной задачи (следует стремиться к максимальному упрощению приближающих функций);

Выбор и использование критериев согласия, на основе которых на­ходятся параметры приближающих функций;

Выполнение требований заданной точности к выбору приближаю­щей функции.

В задачах приближения функций многочленами используются три класса

Линейная комбинация степенных функций (ряд Тейлора, много­члены Лагранжа, Ньютона и др.);

Комбинация функций соз пх, ш их (ряды Фурье);

Многочлен, образуемый функциями ехр (-а, г).

При нахождении приближающей функции используют различные крите­рии согласия с экспериментальными данными.

Градиентный метод и его разновидности относятся к самым распространенным методам поиска экстремума функций нескольких переменных. Идея градиентного метода заключается в том, чтобы в процессе поиска экстремума (для определенности максимума) двигаться каждый раз в направлении наибольшего возрастания целевой функции.

Градиентный метод предполагает вычисление первых производных целевой функции по ее аргументам. Он, как и предыдущие, относится к приближенным методам и позволяет, как правило, не достигнуть точки оптимума, а только приблизиться к ней за конечное число шагов.

Рис. 4.11.

Рис. 4.12.

(двумерный случай)

Вначале выбирают начальную точку Если в одномерном случае (см. подпараграф 4.2.6) из нее можно было

сдвинуться только влево или вправо (см. рис. 4.9), то в многомерном случае число возможных направлений перемещения бесконечно велико. На рис. 4.11, иллюстрирующем случай двух переменных, стрелками, выходящими из начальной точки А, показаны различные возможные направления. При этом движение по некоторым из них дает увеличение значения целевой функции по отношению к точке А (например, направления 1-3), а по другим направлениям приводит к его уменьшению (направления 5-8). Учитывая, что положение точки оптимума неизвестно, считается наилучшим то направление, в котором целевая функция возрастает быстрее всего. Это направление называется градиентом функции. Отметим, что в каждой точке координатной плоскости направление градиента перпендикулярно касательной к линии уровня, проведенной через ту же точку.

В математическом анализе доказано, что составляющие вектора градиента функции у =/(*, х 2 , ..., х п) являются ее частными производными по аргументам, т.е.

&ад/(х 1 ,х 2 ,.= {ду/дху,ду/дх 2 , ...,ду/дх п }. (4.20)

Таким образом, при поиске максимума по методу градиента на первой итерации вычисляют составляющие градиента по формулам (4.20) для начальной точки и делают рабочий шаг в найденном направлении, т.е. осуществляется переход в новую точку -0)

У" с координатами:

1§гас1/(х (0)),

или в векторной форме

где X - постоянный или переменный параметр, определяющий длину рабочего шага, ?і>0. На второй итерации снова вычисляют

вектор градиента уже для новой точки.У, после чего по анало-

гичной формуле переходят в точку х^ > и т.д. (рис. 4.12). Для произвольной к- й итерации имеем

Если отыскивается не максимум, а минимум целевой функции, то на каждой итерации делается шаг в направлении, противоположном направлению градиента. Оно называется направлением антиградиента. Вместо формулы (4.22) в этом случае будет

Существует много разновидностей метода градиента, различающихся выбором рабочего шага. Можно, например, переходить в каждую последующую точку при постоянной величине X, и тогда

длина рабочего шага - расстояние между соседними точками х^

их 1 " - окажется пропорциональном модулю вектора градиента. Можно, наоборот, на каждой итерации выбирать X таким, чтобы длина рабочего шага оставалась постоянной.

Пример. Требуется найти максимум функции

у = 110-2(лг, -4) 2 -3(* 2 -5) 2 .

Разумеется, воспользовавшись необходимым условием экстремума, сразу получим искомое решение: х ] - 4; х 2 = 5. Однако на этом простом примере удобно продемонстрировать алгоритм градиентного метода. Вычислим градиент целевой функции:

grad у = {ду/дх-,ду/дх 2 } = {4(4 - *,); 6(5 - х 2)} и выбираем начальную точку

Л*» = {х}°> = 0; 4°> = О}.

Значение целевой функции для этой точки, как легко подсчитать, равно у[х^ j = 3. Положим, X = const = 0,1. Величина градиента в точке

Зс (0) равна grad y|x^j = {16; 30}. Тогда на первой итерации получим согласно формулам (4.21) координаты точки

х 1) = 0 + 0,1 16 = 1,6; х^ = 0 + 0,1 30 = 3.

у(х (1)) = 110 - 2(1,6 - 4) 2 - 3(3 - 5) 2 = 86,48.

Как видно, оно существенно больше предыдущего значения. На второй итерации имеем по формулам (4.22):

• 1,6 + 0,1 4(4 - 1,6) = 2,56;