§ 10.3. Градиентный метод

Рассмотрим задачу безусловной минимизации дифференцируемой функции многих переменных Пусть приближение к точке минимума значение градиента в точке Выше уже отмечалось, что в малой окрестности точки направление наискорейшего убывания функции задается антиградиентом Это свойство существенно используется в ряде методов минимизации. В рассматриваемом Ниже градиентном методе за направление спуска из точки непосредственно выбирается Таким образом, согласно градиентному методу

Существуют различные способы выбора шага каждый из которых задает определенный вариант градиентного метода.

1. Метод наискорейшего спуска.

Рассмотрим функцию одной скалярной переменной и выберем в качестве то значение, для которого выполняется равенство

Этот метод, предложенный в 1845 г. О. Коши, принято теперь называть методом наискорейшего спуска.

Рис. 10.5

На рис. 10.5 изображена геометрическая иллюстрация этого метода для минимизации функции двух переменных. Из начальной точки перпендикулярно линии уровня в направлении спуск продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное вдоль луча значение функции . В найденной точке этот луч касается линии уровня Затем из точки проводят спуск в перпендикулярном линии уровня направлении до тех пор, пока соответствующий луч не коснется в точке проходящей через эту точку линии уровня, и т. д.

Отметим, что на каждой итерации выбор шага предполагает решение задачи одномерной минимизации (10.23). Иногда эту операцию удается выполнить аналитически, например для квадратичной функции.

Применим метод наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции

с симметричной положительно определенной матрицей А.

Согласно формуле (10.8), в этом случае Поэтому формула (10.22) выглядит здесь так:

Заметим, что

Эта функция является квадратичной функцией параметра а и достигает минимума при таком значении для которого

Таким образом, применительно к минимизации квадратичной

функции (10.24) метод наискорейшего спуска эквивалентен расчету по формуле (10.25), где

Замечание 1. Поскольку точка минимума функции (10.24) совпадает с решением системы метод наискорейшего спуска (10.25), (10.26) может применяться и как итерационный метод решения систем линейных алгебраических уравнений с симметричными положительно определенными матрицами.

Замечание 2. Отметим, что где отношение Рэлея (см. § 8.1).

Пример 10.1. Применим метод наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции

Заметим, что Поэтому точное значение точки минимума нам заранее известно. Запишем данную функцию в виде (10.24), где матрица и вектор Как нетрудно видеть,

Возьмем начальное приближение и будем вести вычисления по формулам (10.25), (10.26).

I итерация.

II итерация.

Можно показать, что для всех на итерации будут получены значения

Заметим, что при Таким образом,

последовательность полученная методом наискорейшего спуска, сходится со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой

На рис. 10.5 изображена именно та траектория спуска, которая была получена в данном примере.

Для случая минимизации квадратичной функции справедлив следующий общий результат .

Теорема 10.1. Пусть А — симметричная положительно определенная матрица и минимизируется квадратичная функция (10.24). Тогда при любом выборе начальною приближения метод наискорейшею спуска (10.25), (10.26) сходится и верна следующая оценка погрешности:

Здесь и Ладо — минимальное и максимальное собственные значения матрицы А.

Отметим, что этот метод сходится со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой причем если их близки, то мало и метод сходится достаточно быстро. Например, в примере 10.1 имеем и поэтому Если же Ащах, то и 1 и следует ожидать медленной сходимости метода наискорейшего спуска.

Пример 10.2. Применение метода наискорейшего спуска для минимизации квадратичной функции при начальном приближении дает последовательность приближений где Траектория спуска изображена на рис. 10.6.

Рис. 10.6

Последовательность сходится здесь со скоростью геометрической прогрессии, знаменатель которой равен т. е. существенно медленнее,

чем в предыдущем примерю. Так как здесь и полученный результат вполне согласуется с оценкой (10.27).

Замечание 1. Мы сформулировали теорему о сходимости метода наискорейшего спуска в случае, когда целевая функция является квадратичной. В общем случае, если минимизируемая функция строго выпуклая и имеет точку минимума х, то также независимо от выбора начального приближения полученная указанным методом последовательность сходится к х при . При этом после попадания в достаточно малую окрестность точки минимума сходимость становится линейной и знаменатель соответствующей геометрической прогрессии оценивается сверху величиной и где и минимальное и максимальное собственные числа матрицы Гессе

Замечание 2. Для квадратичной целевой функции (10.24) решение задачи одномерной минимизации (10.23) удается найти в виде простой явной формулы (10.26). Однако для большинства других нелинейных функций этого сделать нельзя и для вычисления методом наискорейшего спуска приходится применять численные методы одномерной минимизации типа тех, которые были рассмотрены в предыдущей главе.

2. Проблема "оврагов".

Из проведенного выше обсуждения следует, что градиентный метод сходится достаточно быстро, если для минимизируемой функции поверхности уровня близки к сферам (при линии уровня близки к окружностям). Для таких функций и 1. Теорема 10.1, замечание 1, а также результат примера 10.2 указывают на то, что скорость сходимости резко падает при увеличении величины Действительно, известно, что градиентный метод сходится очень медленно, если поверхности уровня минимизируемой функции сильно вытянуты в некоторых направлениях. В двумерном случае рельеф соответствующей поверхности напоминает рельеф местности с оврагом (рис. 10.7). Поэтому такие функции принято называть овражными. Вдоль направлений, характеризующих "дно оврага", овражная функция меняется незначительно, а в других направлениях, характеризующих "склон оврага", происходит резкое изменение функции.

Рис. 10.7.

Если начальная точка попадает на "склон оврага", то направление градиентного спуска оказывается почти перпендикулярным "дну оврага" и очередное приближение попадает на противоположный "склон оврага". Следующий шаг в направлении ко "дну оврага" возвращает приближение на первоначальный "склон оврага". В результате вместо того чтобы двигаться вдоль "дна оврага" в направлении к точке минимума, траектория спуска совершает зигзагообразные скачки поперек "оврага", почти не приближаясь к цели (рис. 10.7).

Для ускорения сходимости градиентного метода при минимизации овражных функций разработан ряд специальных "овражных" методов. Дадим представление об одном из простейших приемов. Из двух близких начальных точек совершают градиентный спуск на "дно оврага". Через найденные точки проводят прямую, вдоль которой совершают большой "овражный" шаг (рис. 10.8). Из найденной таким образом точки снова делают один шаг градиентного спуска в точку Затем совершают второй "овражный" шаг вдоль прямой, проходящей через точки . В результате движение вдоль "дна оврага" к точке минимума существенно ускоряется.

Рис. 10.8

Более подробную информацию о проблеме "оврагов" и "овражных" методах можно найти, например, в [9], [18].

3. Другие подходы к определению шага спуска.

Как нетрудно понять, на каждой итерации было бы желательно выбирать направление спуска близкое к тому направлению, перемещение вдоль которого приводит из точки в точку х. К сожалению, антиградиент (является, как правило, неудачным направлением спуска. Особенно ярко это проявляется для овражных функций. Поэтому возникает сомнение в целесообразности тщательного поиска решения задачи одномерной минимизации (10.23) и появляется желание сделать в направлении лишь такой шаг, который бы обеспечил "существенное убывание" функции Более того, на практике иногда довольствуются определением значения которое просто обеспечивает уменьшение значения целевой функции.

В одном из простейших алгоритмов (типа дробления шага) такого выбора шага фиксируют начальное значение и значение параметра За принимают где первый из номеров для которого выполнено условие убывания

Однако при таком выборе нет гарантии, что последовательность будет сходиться к точке минимума даже для простой квадратичной функции (10.24). Условие (10.28) является слишком слабым: последовательность незначительно уменьшая значения функции может "останавливаться", не доходя до точки х. Такое поведение последовательности можно предотвратить, если заменить условие (10.28) условием "существенного убывания" функции на каждой итерации:

Здесь дополнительный параметр. Заметим, что для рассматриваемого метода и поэтому неравенство (10.29) в точности совпадает с неравенством (10.15), используемым в методах спуска при дроблении шага.

Пример 10.3. Продемонстрируем применение градиентного метода с дроблением шага к задаче минимизации квадратичной функции из примера 10.1. Для выбора значения шага будем использовать условие (10.29). Воспользуемся следующими краткими обозначениями: Заметим, что

Выберем начальное приближение начальное значение шага значения параметров Вычислим значения

I итерация. Вычисляем Так как значение функции не уменьшилось, то следует уменьшить шаг:

Вычисляем Поскольку условие (10.29) не выполняется и следует снова уменьшить шаг:

Вычисляем Имеем т. е. условие (10.29) не выполняется. Уменьшаем шаг:

Вычисляем . Так как то условие (10.29) выполнено.

Положим напомним, что . Вычислим и положим

Далее вычисления следует продолжить до выполнения какого-либо принятого критерия окончания итераций.

4. Влияние погрешности вычислений.

Один из существенных недостатков градиентного метода связан с его чувствительностью к погрешностям вычислений. Особенно сильно этот недостаток сказывается в малой окрестности точки минимума, где антиградиент, задающий направление поиска, мал по модулю. Поэтому эффективность градиентного метода на завершающей стадии поиска существенно ниже, чем на начальной стадии.