工程优化方法中的“最速下降法”和“DFP拟牛顿法”的C语言实现

这个小程序是研一上学期的“工程优化”课程的大作业。其实这题本可以用 MATLAB 实现，但是我为了锻炼自己薄弱的编码能力，改为用 C 语言实现。这样，就得自己实现矩阵的运算（加减乘除、求逆、拷贝）；难点是求偏导，通过查资料，发现可以通过导数定义，即取极限的方法，来逐步逼近求得梯度；另外，没法做到输入任意公式，只能将公式硬编码为函数，而求导函数需要传入公式，就直接传入函数指针了。思考、编码、调试、测试共耗费两周左右时间，完成于 2013/01/10。虽然为了认真做这个大作业而耽误了期末考试的复习，但我不后悔做出的选择，因为我学到了我觉得真正有用的东西。

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一、题目

用最速下降法和DFP拟牛顿法求解以下函数的最小值点以及最小值：

1.1 ，其中，，，

1.2 ，其中，，，

二、算法

2.1最速下降法（steepest descent method）

算法步骤：

（1）取初始点，精度,令；

（2）计算,若,则停，；否则转（3）；

（3）一维搜索：，

令,转（2）。

2.2拟牛顿法（DFP）

算法步骤：

（1）取初始点，允许误差；

（2）求，若，令，算法停止；否则转（3）；

（3）令；

（4）令；

（5）求：，令；

（6）求，若，令，算法停止；否则转（6）；

（7）若，则令，，转（3）；

否则令，，

计算；

令，转（4）。

2.3成功—失败法（用于一维搜索）

算法步骤：

（1）取初始点，初始步长和精度,计算；

（2）计算；

（3）若（搜索成功），令；

若（搜索失败），若，令，停止迭代；

否者，令，转（2）；

三、语言及算法实现说明

3.1算法实现语言及平台：

C语言+VC6.0（Debug模式）。

3.2几个部分的思考：

（1）由于实现实时输入函数多项式比较困难，本程序将函数多项式写成模块，存入程序文件中，由于程序使用函数指针，故可以陆续添加函数多项式而不必修改核心算法的代码；

（2）由于函数不同，取值范围不同，则算法需要不同的精度和步长，才能求得精确的结果，故本程序提供接口让用户指定；

（3）为了实现实时输入变量维度，本程序使用动态内存分配，建立多维数组，模拟矩阵，用于存储多维变量；

3.3算法实现的重难点分析：

（1）偏导数的求解：本程序使用偏导数的定义，即极限方法，求解指定点的函数值；

（2）DFP算法中的计算：本程序用多维数组来模拟矩阵进行运算。

四、程序中的主要模块说明（完整程序及注释见附录）

4.1待求解的两个函数：

其中vars为多维变量，n代表维度，这两个模块返回函数在指定点的值。

/* 求函数1在指定点的值 */

double fun1(double **vars, int n)；

/* 求函数2在指定点的值 */

double fun2(double **vars, int n)；

4.2利用偏导的定义求某个点的偏导数：

其中f为指定函数，vars为多维变量，grads为梯度，n为维度，prec为用户指定的精度；该模块求出函数的偏导存入矩阵grads中。

/* 用极限方法求指定点的偏导/梯度 */

void differ(double (*f)(double **vars, int n), double **vars, double **grads, int n, double prec)；

4.3成功—失败法，用于一维搜索：

其中f代表指定函数，vars为多维变量，d为二维搜索的方向，n为维度，prec为用户指定的进度，h为用户指定的步长；

该模块将搜索到的所对应的多维变量存入矩阵vars。

/* 成功失败法，用于一维搜索 */

void suc_fail(double (*f)(double **vars, int n), double **vars, double **d, int n, double prec, double h)；

4.4两个核心算法：

其中fun为待解函数的标号，n为维度，prec为用户指定的精度，h为用户指定的用于一维搜索的步长；

这里这两个模块求出指定函数的最小值点和最小值并输出。

/* 最速下降法（Speedest Descent Method）*/

void SD(int fun, int n, double prec, double h)；

/* DFP拟牛顿法 */

void DFP(int fun, int n, double prec, double h)；

五、程序使用说明

本程序将最速下降法和DFP法整合在一起，精度、步长、维度可由用户指定：

（1）选择方法（只输入序号，‘0’退出）；

（2）选择函数（只输入序号）；

（3）输入精度值（）；

（4）输入一维搜索的步长；

（5）输入变量维度；

（6）输入变量的每个分量；

回车后程序开始使用指定方法对指定函数进行计算，计算过程中输出迭代次数；

最后输出结果：最小值点和最小值。

如下图所示（下一页）：

六、运行结果及分析

6.1精度选择：

（1）如下用最速下降法求函数1，精度取，步长取1，初值取（5,5,5），求解时陷入了无限迭代：

……

（2）对于（1）的输入，仅修改精度为，仅迭代3次就求出了结果，且达到很高的精度，变量的三个分量和最优值都约等于0：

6.1.1小结

当精度值选择太小，虽然可能得到更精确的结果，但会陷入死循环。当精度要求放松了一点，反而快速求出了精确结果，可见精度要选着适当，不可太大，也不可太小。以下试验就选择为精度值。

6.2一维搜索的步长选择：

（1）如下用最速下降法求函数1，精度取，步长取0.1，初值取（3,3,3），迭代3次求出结果，但是误差很大：

（2）针对（1），仅将步长改为0.5，迭代4次求出结果，精度很高：

（4）如下用最速下降法求函数2，精度取，步长取0.5，

初值取（300,300,300），迭代9次求出结果，但是误差很大：

（5）针对（4），仅将步长改为30，迭代17次求出结果，虽然结果与理想值0还是有一些误差，但比（4）的结果精确了很多：

6.2.1小结

一维搜索的步长也要选择适当，否者求出的结果误差很大。从以上对比可以看出，步长的选取要根据自变量的取值进行相应的调整：函数F1的，变量取3，步长h取0.5时误差较小；函数F2的，变量取300，步长h取30时误差较小，步长h取值为变量x取值的10%左右时误差较小。

6.3比较最速下降法和DFP法：

6.3.1求解函数F1：精度取，步长取0.5，变量分别取（-5,-5,-5）、（5,5,5）

（1） 最速下降法

（2） DFP

6.3.2求解函数F2：精度取，步长取50，变量取（500,500,500）

（1）最速下降法

（2）DFP

6.3.3小结

由以上两组对比可看出：

（1） 对于函数F1和F2，DFP算法都比最速下降法迭代次数多；

（2） 对于函数F1和F2，DFP算法都比最速下降法结果精确；

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工程优化方法中的“最速下降法”和“DFP拟牛顿法”的 C 语言实现