12248

Прямые методы минимизации функции одной переменной

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа 1. Прямые методы минимизации функции одной переменной. В данной работе рассматриваются методы решения поставленной задачи не использующие вычисления производных прямые методы минимизации. Постановка задачи: Требуется найти безусловный ми...

Русский

2013-04-24

1 MB

57 чел.

Лабораторная работа 1.

Прямые методы минимизации функции одной переменной.

В данной работе рассматриваются методы решения поставленной задачи, не использующие вычисления производных (прямые методы минимизации).

Постановка задачи: Требуется найти безусловный минимум функции одной переменной f(x), т.е. такую точку , что . Значение точки минимума вычислить приближенно с заданной точностью ε.

Предполагается, что для функции f(x) предварительно определен начальный интервал неопределенности L0 = [a0, b0] (имеется априорная информация о положении точки минимума, а именно то, что точка минимума , но более точное положение ее неизвестно), причем на заданном интервале функция является унимодальной (для любых функция монотонно убывает, для любых функция монотонно возрастает).

Метод равномерного поиска (метод перебора).

Стратегия поиска: Метод относится к пассивным стратегиям.

Задается количество интервалов N, на которое разбивается исходный интервал
L0 = [a0, b0]. Вычисления производятся в N +1 равноотстоящих друг от друга точках. Путем сравнения величин f(xi), i = 0,1,…,N находится точка xk, в которой значение функции наименьшее. Искомая точка минимума считается заключенной в интервале [xk-1, xk+1].

Алгоритм:

  1. Задать начальный интервал неопределенности L0 и точность ε.
  2. Задать количество интервалов разбиения .
  3. Вычислить точки ,  .
  4. Вычислить значения функции в найденных точках: f(xi) , .
  5. Среди точек найти такую, в которой функция принимает наименьшее значение: .
  6. Выбрать приближенно , . Поиск завершен.

Метод поразрядного поиска.

Стратегия поиска: Метод является усовершенствованным вариантом метода перебора. В этом методе перебор точек интервала неопределенности L0 происходит сначала с шагом , i = 0, 1, … (при этом точка x0 совпадает с концом отрезка a0) до тех пор, пока не выполнится условие , или пока очередная из точек xi не совпадет с концом отрезка b0. После этого шаг уменьшается в несколько (2, 4, 10) раз, и производится перебор точек в противоположном направлении (с новым шагом) до тех пор, пока значения f(x) не перестанут уменьшаться, или очередная точка не совпадет с концом отрезка a0. Процедура уменьшения шага и смены направления перебора на противоположное повторяется несколько раз. Поиск прекращается, если текущий шаг дискретизации при последнем проходе алгоритма  не превосходит заданной точности .

Следует отметить, что в данном методе интервал неопределенности может быть полубесконечным: L0 = [a0, +∞) или L0 = (-, b0] (во втором случае начальное направление перебора выбирается в сторону уменьшения значений x).

Алгоритм:

  1. Задать начальный интервал неопределенности L0 и точность ε.
  2. Задать начальный шаг дискретизации .
  3. Положить i = 1, x0 = a0. Вычислить значение функции  f(x0).
  4. Определить точку xi = xi-1+Δ и значение функции  f(xi).
  5. Если и , то положить i = i +1 и вернуться к шагу 4.
  6. Задать новый шаг дискретизации .
  7. Если , то перейти к шагу 12.
  8. Вычислить точку xi = xi-1-Δ и значение функции  f(xi).
  9. Если и , то положить i = i +1 и вернуться к шагу 8.
  10. Задать новый шаг дискретизации и перейти к шагу 4.
  11. Если , то перейти к шагу 12.
  12. Выбрать приближенно , . Поиск завершен.

Метод дихотомии.

Стратегия поиска: Метод относится к последовательным стратегиям и является одним из вариантов метода исключения отрезков.

Алгоритм опирается на анализ значений функции в двух точках. Для их нахождения текущий интервал неопределенности делится пополам и в обе стороны от середины откладывается по по δ/2, где δ < 2ε – малое положительное число. По результатам сравнения значений функции в этих точках из дальнейшего рассмотрения исключается часть текущего интервала неопределенности: из трех отрезков, полученных в результате разбиения интервала, выбирается тот отрезок, который не содержит точку с меньшим значением функции, и исключается из дальнейшего рассмотрения. Условия окончания итераций для всех вариантов метода исключения отрезков стандартные: поиск заканчивается, когда длина текущего интервала неопределенности оказывается меньше установленной величины точности ε.

Алгоритм:

  1. Задать начальный интервал неопределенности L0 и точность ε.
  2. Выбрать δ < .
  3. Положить k = 0 (k – номер итерации).
  4. Вычислить длину текущего интервала L0 = b0 - a0.
  5. Вычислить точки , и значения функции f(x1), f(x2).
  6. Сравнить f(x1) и f(x2).
  7. Если , то положить ak+1 = ak, bk+1 = x2.

  В противном случае () положить ak+1 = x1, bk+1 = bk.

  1. Вычислить длину нового интервала неопределенности Lk+1 = bk+1- ak+1.
  2. Если Lk+1 > ε, то перейти к шагу 5.
  3. Выбрать приближенно , . Поиск завершен.

Метод золотого сечения.

Стратегия поиска: Метод относится к последовательным стратегиям и является одним из вариантов метода исключения отрезков.

Алгоритм опирается на анализ значений функции в двух точках, являющихся точками золотого сечения текущего интервала неопределенности. Исключение отрезка в данном случае выполняется так же, как и в методе дихотомии. При этом с учетом свойств золотого сечения на каждой итерации, кроме первой, требуется только одно новое вычисление функции.

Алгоритм:

  1. Задать начальный интервал неопределенности L0 и точность ε.
  2. Положить k = 0 (k – номер итерации).
  3. Вычислить длину текущего интервала L0 = b0 - a0.
  4. Вычислить значение и точки , .
  5. Вычислить значения функции , .
  6. Сравнить значения , .
  7. Если , то положить , , , .
    В противном случае () положить , , , .
  8. Вычислить длину нового интервала неопределенности Lk+1 = bk+1- ak+1.
  9. Если Lk+1 > ε, то перейти к шагу 5.
  10. Выбрать приближенно , . Поиск завершен.

Вопросы и задания

  1. Реализовать функции для трех методов из приведенных выше: метода перебора, метода поразрядного поиска, метода дихотомии (либо метода золотого сечения вместо метода дихотомии).
  2. Выбрать для выполнения лабораторной работы тестовую функцию, номер которой соответствует последней цифре номера Вашего компьютера
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.  
  8.  
  9.  
  10.  
  11.  
  12.  
  13. Для выбранной функции и для каждого реализованного метода изучить зависимость скорости работы (числа вычислений функции N) от заданного значения точности ε. Для этого необходимо определить число вычислений функции N при нескольких (от трех до пяти) значениях точности, например, при  и построить график зависимости .
  14.  Провести сравнение методов между собой: сравнить сложность реализации, скорость работы (точность). Какой из рассмотренных методов более оптимален для низкой точности () и для высокой точности ()?
  15.  Сохранить результаты для использования в лабораторной работе 2.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27667. Понятие и признаки совокупности преступлений. Идеальная и реальная совокупность преступлений, ее отличие от единичных сложных преступлений 30.5 KB
  Понятие и признаки совокупности преступлений. Идеальная и реальная совокупность преступлений ее отличие от единичных сложных преступлений. Совокупность преступлений это совершение двух или более преступлений ни за одно из которых лицо не было осуждено. При совокупности преступлений лицо несет уголовную ответственность за каждое совершенное преступление по соответствующей статье или части статьи Уголовного кодекса ч.
27668. Понятие и признаки хищения чужого имущества. Отличие хищения от других видов посягательств на собственность. Формы и виды хищений. Общие квалифицирующие признаки хищения 33.5 KB
  Хищение – это совершенное с корыстной целью противоправное безвозмездное изъятие и или обращение чужого имущества в пользу виновного или других лиц причинившие ущерб собственнику или иному владельцу этого имущества. Признаки: а предмет хищения только имущество обладающее признаками вещи и имеющие стоимость; предмет хищения всегда материален; б сложный характер: сначала изъятие а затем обращение в пользу виновного изъятиеэто противоправное извлечение виновным имущества из обладания собственника с одновременным его обращением в свое...
27670. Понятие и социальная сущность преступления. Признаки преступления и его отличие от других правонарушений. Категории преступлений по УК РФ. Уголовно-правовое значение классификации преступлений на различные категории тяжести 35 KB
  Понятие и социальная сущность преступления. Признаки преступления и его отличие от других правонарушений. Понятие преступления ст. Признаки преступления: а общественная опасность – это свойство человеческого поступка причинить существенный вред охраняемым законом общечеловеческим ценностям а также создать угрозу такого вреда.
27672. Способы регулирования частоты вращения 3-фазных асинхронных двигателей 537.05 KB
  Основные сведения о регулировании частоты вращения асинхронных двигателей Регулирование скорости изменением числа пар полюсов обмотки статора. Принцип получения разного числа пар полюсов. Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора со «звезды» на «двойную звезду» Регулирование скорости изменением числа пар полюсов путем переключения обмотки статора с «треугольника» на «двойную звезду»
27673. Посягательство на жизнь сотрудника правоохранительного органа (ст. 317 УК), его отличие от убийства 29.5 KB
  Общественная опасность преступления состоит в том что оно посягает на порядок управления и жизнь перечисленных в законе лиц в целях воспрепятствования их деятельности по охране общественного порядка и обеспечению общественной безопасности. которые постоянно или временно исполняют обязанности по охране общественного порядка и обеспечению общественной безопасности военнослужащие проходящие службу в Вооруженных Силах РФ других войсках например во внутренних войсках МВД России а равно их близкие. Преступление совершается чтобы...
27675. Похищение или повреждение документов, штампов, печатей либо похищение марок акцизного сбора? специальных марок или знаков соответствия (ст.325 УК). Отличие данного преступления от кражи (ст.158 УК) и грабежа (ст. 161 УК) 40 KB
  Кража определяется законодателем как тайное хищение чужого имущества 2. Корыстная цель при хищении предполагает незаконное удовлетворение материальных потребностей виновного или третьих лиц за счет чужого имущества т. Корыстная цель представляет собой также один из критериев отграничения хищения от злоупотребления полномочиями злоупотребления должностными полномочиями уничтожения или повреждения имущества самоуправства вандализма и др. Безвозмездность отграничивает хищение от эквивалентного изъятия сопряженного с возмещением стоимости...