Exponenta Banner

Оптимизация стохастической целевой функции

Открыть скрипт

В этом примере показано, как найти минимум стохастической целевой функции с помощью patternsearch. Это также показывает, как решатели Optimization Toolbox™ не подходят для этого типа проблемы. Пример использует простую 2-мерную целевую функцию, которая затем встревожена шумом.

Инициализация

X0 = [2.5 -2.5];   % Starting point.
LB = [-5 -5];      % Lower bound
UB = [5 5];        % Upper bound
range = [LB(1) UB(1); LB(2) UB(2)];
Objfcn = @smoothFcn; % Handle to the objective function.
% Plot the smooth objective function
fig = figure('Color','w');
showSmoothFcn(Objfcn,range);
hold on;
title('Smooth objective function');
ph = [];
ph(1) = plot3(X0(1),X0(2),Objfcn(X0)+30,'or','MarkerSize',10,'MarkerFaceColor','r');
hold off;
ax = gca;
ax.CameraPosition = [-31.0391  -85.2792 -281.4265];
ax.CameraTarget = [0 0 -50];
ax.CameraViewAngle = 6.7937;
% Add legend information
legendLabels = {'Start point'};
lh = legend(ph,legendLabels,'Location','SouthEast');
lp = lh.Position;
lh.Position = [1-lp(3)-0.005 0.005 lp(3) lp(4)];

0
0

Запустите fmincon на сглаженной целевой функции

Целевая функция является гладкой (дважды непрерывно дифференцируема). Решите задачу оптимизации с помощью Optimization Toolbox fmincon решатель. fmincon находит ограниченный минимум функции нескольких переменных. Эта функция имеет уникальный минимум в точке x* = [-5,-5] где это имеет значение f(x*) = -250.

Установите опции возвращать итеративное отображение.

options = optimoptions(@fmincon,'Algorithm','interior-point','Display','iter');
[Xop,Fop] = fmincon(Objfcn,X0,[],[],[],[],LB,UB,[],options)
figure(fig);
hold on;

                                            First-order      Norm of
 Iter F-count            f(x)  Feasibility   optimality         step
    0       3   -1.062500e+01    0.000e+00    2.004e+01
    1       6   -1.578420e+02    0.000e+00    5.478e+01    6.734e+00
    2       9   -2.491310e+02    0.000e+00    6.672e+01    1.236e+00
    3      12   -2.497554e+02    0.000e+00    2.397e-01    6.310e-03
    4      15   -2.499986e+02    0.000e+00    5.065e-02    8.016e-03
    5      18   -2.499996e+02    0.000e+00    9.708e-05    3.367e-05
    6      21   -2.500000e+02    0.000e+00    1.513e-04    6.867e-06
    7      24   -2.500000e+02    0.000e+00    1.161e-06    6.920e-08

Local minimum found that satisfies the constraints.

Optimization completed because the objective function is non-decreasing in 
feasible directions, to within the value of the optimality tolerance,
and constraints are satisfied to within the value of the constraint tolerance.


Xop =

   -5.0000   -5.0000


Fop =

 -250.0000

Постройте конечную точку

ph(2) = plot3(Xop(1),Xop(2),Fop,'dm','MarkerSize',10,'MarkerFaceColor','m');
% Add a legend to plot
legendLabels = [legendLabels, '|fmincon| solution'];
lh = legend(ph,legendLabels,'Location','SouthEast');
lp = lh.Position;
lh.Position = [1-lp(3)-0.005 0.005 lp(3) lp(4)];
hold off;

Стохастическая целевая функция

Теперь встревожьте целевую функцию путем добавления случайного шума.

rng(0,'twister') % Reset the global random number generator
peaknoise = 4.5;
Objfcn = @(x) smoothFcn(x,peaknoise); % Handle to the objective function.
% Plot the objective function (non-smooth)
fig = figure('Color','w');
showSmoothFcn(Objfcn,range);
title('Stochastic objective function')
ax = gca;
ax.CameraPosition = [-31.0391  -85.2792 -281.4265];
ax.CameraTarget = [0 0 -50];
ax.CameraViewAngle = 6.7937;

0
0

Запустите fmincon на стохастической целевой функции

Встревоженная целевая функция является стохастической и не сглаженной. fmincon общий ограниченный решатель оптимизации, который находит локальное минимальное использование производными целевой функции. Если вы не обеспечиваете первые производные целевой функции, fmincon конечные разности использования, чтобы аппроксимировать производные. В этом примере целевая функция случайна, таким образом, конечная разность оценивает, что производные следовательно могут быть ненадежными. fmincon может потенциально остановиться в точке, которая не является минимумом. Это может произойти, потому что оптимальным условиям, кажется, удовлетворяют в конечной точке из-за шума или fmincon не мог сделать дальнейшие успехи.

[Xop,Fop] = fmincon(Objfcn,X0,[],[],[],[],LB,UB,[],options)
figure(fig);
hold on;
ph = [];
ph(1) = plot3(X0(1),X0(2),Objfcn(X0)+30,'or','MarkerSize',10,'MarkerFaceColor','r');
ph(2) = plot3(Xop(1),Xop(2),Fop,'dm','MarkerSize',10,'MarkerFaceColor','m');
% Add legend to plot
legendLabels = {'Start point','|fmincon| solution'};
lh = legend(ph,legendLabels,'Location','SouthEast');
lp = lh.Position;
lh.Position = [1-lp(3)-0.005 0.005 lp(3) lp(4)];
hold off;

                                            First-order      Norm of
 Iter F-count            f(x)  Feasibility   optimality         step
    0       3   -1.925772e+01    0.000e+00    2.126e+08
    1       6   -7.107849e+01    0.000e+00    2.623e+08    8.873e+00
    2      11   -8.055890e+01    0.000e+00    2.401e+08    6.715e-01
    3      20   -8.325315e+01    0.000e+00    7.348e+07    3.047e-01
    4      48   -8.366302e+01    0.000e+00    1.762e+08    1.593e-07
    5      64   -8.591081e+01    0.000e+00    1.569e+08    3.111e-10

Local minimum possible. Constraints satisfied.

fmincon stopped because the size of the current step is less than
the value of the step size tolerance and constraints are 
satisfied to within the value of the constraint tolerance.


Xop =

   -4.9628    2.6673


Fop =

  -85.9108

Запустите patternsearch

Теперь минимизируйте стохастическую целевую функцию с помощью patternsearch Global Optimization Toolbox решатель. Методы оптимизации поиска шаблона являются классом прямых методов поиска для оптимизации. Алгоритм поиска шаблона не использует производные целевой функции, чтобы найти оптимальную точку.

PSoptions = optimoptions(@patternsearch,'Display','iter');
[Xps,Fps] = patternsearch(Objfcn,X0,[],[],[],[],LB,UB,PSoptions)
figure(fig);
hold on;
ph(3) = plot3(Xps(1),Xps(2),Fps,'dc','MarkerSize',10,'MarkerFaceColor','c');
% Add legend to plot
legendLabels = [legendLabels, 'Pattern Search solution'];
lh = legend(ph,legendLabels,'Location','SouthEast');
lp = lh.Position;
lh.Position = [1-lp(3)-0.005 0.005 lp(3) lp(4)];
hold off


Iter     Func-count       f(x)      MeshSize     Method
    0           1       -7.20766             1      
    1           3       -34.7227             2     Successful Poll
    2           3       -34.7227             1     Refine Mesh
    3           5       -34.7227           0.5     Refine Mesh
    4           8       -96.0847             1     Successful Poll
    5          10       -96.0847           0.5     Refine Mesh
    6          13       -132.888             1     Successful Poll
    7          15       -132.888           0.5     Refine Mesh
    8          17       -132.888          0.25     Refine Mesh
    9          20       -197.689           0.5     Successful Poll
   10          22       -197.689          0.25     Refine Mesh
   11          24       -197.689         0.125     Refine Mesh
   12          27       -241.344          0.25     Successful Poll
   13          30       -241.344         0.125     Refine Mesh
   14          33       -241.344        0.0625     Refine Mesh
   15          36       -241.344       0.03125     Refine Mesh
   16          39       -241.344       0.01562     Refine Mesh
   17          42       -242.761       0.03125     Successful Poll
   18          45       -242.761       0.01562     Refine Mesh
   19          48       -242.761      0.007812     Refine Mesh
   20          51       -242.761      0.003906     Refine Mesh
   21          55       -242.761      0.001953     Refine Mesh
   22          59       -242.761     0.0009766     Refine Mesh
   23          63       -242.761     0.0004883     Refine Mesh
   24          67       -242.761     0.0002441     Refine Mesh
   25          71       -242.761     0.0001221     Refine Mesh
   26          75       -242.761     6.104e-05     Refine Mesh
   27          79       -242.761     3.052e-05     Refine Mesh
   28          83       -242.761     1.526e-05     Refine Mesh
   29          87       -242.761     7.629e-06     Refine Mesh
   30          91       -242.761     3.815e-06     Refine Mesh

Iter     Func-count        f(x)       MeshSize      Method
   31          95       -242.761     1.907e-06     Refine Mesh
   32          99       -242.761     9.537e-07     Refine Mesh
Optimization terminated: mesh size less than options.MeshTolerance.

Xps =

   -4.9844   -4.5000


Fps =

 -242.7611

Поиск шаблона как строго не затронут случайным шумом в целевой функции. Поиск шаблона требует только значений функции а не производных, следовательно шум (некоторого универсального вида) не может влиять на него. Однако поиск шаблона требует, чтобы больше вычисления функции нашло истинный минимум, чем основанные на производной алгоритмы, стоимость для того, чтобы не использовать производные.

Похожие темы

Документация Global Optimization Toolbox

Поддержка