数值分析算法 MATLAB 实践 数值优化算法

news2024/10/5 16:26:59

数值分析算法 MATLAB 实践 数值优化算法

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黄金分割法

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function [x,y,k_cnt ]= Goldensection(fun, a, b, eps)
%fun为优化函数,a为区间左侧值,b为区间右侧值,eps为精度
% 黄金分割法 
    k_cnt=0;
    while(b - a > eps)
        x1 = a + 0.382 * (b - a);
        x2 = a + 0.618 * (b - a);    % lamda = 0.618,该方法也称为0.618分割法
        if fun(x1) < fun(x2)
            b = x2;
        else
            a = x1;
        end
        k_cnt = k_cnt+1;
    end
    x = (a + b) / 2;%最优解x
    y = fun(x);%%最优解x对应的y
end

% 黄金分割法[x,y,k_cnt ]= Goldensection(fun, a, b, eps)
%fun为优化函数func,a为区间左侧值,b为区间右侧值,eps为精度
disp('******************黄金分割法******************')
a=-1;b=1;maxstep = 1000;eps = 1e-3;
[x0,y0,k0_cnt]= Goldensection(@fun1,a,b,eps);
disp(['迭代次数:k_cnt=',num2str(k0_cnt)])
disp(['最优解:x = ',num2str(x0)])
disp(['此时: Y = f(x) =  ',num2str(y0)]) 
****黄金分割法******************
迭代次数:k_cnt=16
最优解:x = 0.24987
此时: Y = f(x) =  -1.125

牛顿优化法(阻尼牛顿法)

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function [x,val,k,flag] = NewtonMethod(fun,gfun,Hess,x0,k_max,epsilon)
%abs:使用NewtonMethod法求解无约束优化问题mini f(x)
%input:目标函数fun,梯度函数gfun,黑塞矩阵Hess,初始点x0
%output:最优解x,最优值val,迭代次数iter
%设置初始参数
if nargin<5||isempty(k_max)
        k_max=500;
 end
 if nargin<6||isempty(epsilon)
        epsilon=1e-6;
 end
    k=0; 
    xk=x0;
    while(k < k_max)
        gk=gfun(xk); %计算梯度
        Gk=Hess(xk);
        dk=-Gk\gk; %计算搜索方向
        if(norm(dk) < epsilon) 
            flag=1;
            break;
        end
            xk=xk+dk;
             k=k+1;
    end
        x=xk;
        val=fun(xk);
end

%function [x,val,k,flag] = NewtonMethod(fun,gfun,Hess,x0,k_max,epsilon)
%abs:使用NewtonMethod法求解无约束优化问题
%input:目标函数fun,梯度函数gfun,黑塞矩阵Hess,初始点x0
%output:最优解x,最优值val,迭代次数iter
it_max=10000;
eps=1e-6;
X3_0=[0 2]';%初值
[x3,y3,k3_cnt,flag] = NewtonMethod(@fun3,@gfun3,@Hessfun3,X3_0,it_max,eps);
disp(['迭代次数:k_cnt='])
disp(k3_cnt)
disp(['最优解:x = '])
disp(x3)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(y3)

******************Newton法******************
迭代次数:k_cnt=
     1

最优解:x = 
   -2.2857
   -0.2857

此时: Y = f(x) =  
    0.4286

%用 阻尼牛顿法 求单变量函数在单峰区间[a,b]上的近似极小点
%在命令窗口输入函数: [newx,newfk,k]=QNewton('fun','gfun','Hess',xk)
function [newx,newfk,k]=DNewtonMethod(fun,gfun,Hessfun,xk,maxk,epsilon)
%功能: 阻尼牛顿法   Armijo法非精确线搜索mini f(x)
%输入: xk是初始点,fun是目标函数, gfun是目标函数的梯度,Hess是Hesse矩阵的函数
%输出: newx, newfk分别是近似极小点和极小值
%      k表示迭代次数   
 if nargin<5||isempty(maxk)
        maxk=500;
 end
 if nargin<6||isempty(epsilon)
        epsilon=1e-6;
 end
rho=0.5;        % rho取值范围为[0,0.5]
sigma=0.4;      % sigma取值范围为[rho,1]
k=0;
while(k<=maxk)
    gk=gfun(xk);
    Gk=Hessfun(xk);
    dk=-Gk\gk;      % 解方程Gk*dk=-gk,计算搜索方向
    if(norm(dk)<epsilon) 
        break; 
    end     % 检验终止准则
    m=0;    mk=0;
    while(m<20)     % Armijo法非精确线搜索
        if (fun(xk+rho^m*dk) <= fun(xk)+sigma*rho^m*gk'*dk)
            mk=m;   break;
        end
        m=m+1;
    end
    xk=xk+rho^mk*dk;
    k=k+1;
end
    newx=xk;
    newfk=fun(newx);
end

%function [Newx,Newfk,kcnt]=DNewtonMethod(fun,gfun,Hessfun,xk,maxk,epsilon)
%功能: 阻尼牛顿法   Armijo法非精确线搜索
%输入: xk是初始点,fun是目标函数, gfun是目标函数的梯度,Hess是Hesse矩阵的函数
%输出: newx, newfk分别是近似极小点和极小值 kcnt迭代次数
disp('******************阻尼牛顿法******************')
X_0=[0 0]';
it_max=10000;
eps=1e-6;
[x1,y1,k1_cnt]=DNewtonMethod(@fun,@gfun,@Hessfun,X_0,it_max,eps);
disp(['迭代次数:k_cnt='])
disp(k1_cnt)
disp(['最优解:x = '])
disp(x1)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(y1)

X2_0=[1 1]';
[x2,y2,k2_cnt]=DNewtonMethod(@fun2,@gfun2,@Hessfun2,X2_0,it_max,eps);
disp(['迭代次数:k_cnt='])
disp(k2_cnt)
disp(['最优解:x = '])
disp(x2)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(y2)
****阻尼牛顿法******************
迭代次数:k_cnt=
     1

最优解:x = 
     1
     2

此时: Y = f(x) =  
    -8

迭代次数:k_cnt=
     2

最优解:x = 
    4.0000
    2.0000

此时: Y = f(x) =  
    4.0000

最速下降法

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function [xo,fo,k_cnt] = Opt_Steepest(f,grad,x0,TolX,TolFun,dist0,MaxIter)
% 用最速下降法求最优化解mini f(x)
%输入:f为函数名 grad为梯度函数
%x0为解的初值 TolX,TolFun分别为变量和函数的误差阈值
%dist0为初始步长 MaxIter为最大迭代次数
%输出: xo为取最小值的点 fo为最小的函数值
% f0 = f(x(0))
k_cnt =0;
%%%%%%判断输入的变量数,设定一些变量为默认值
if nargin < 7
    MaxIter = 100; %最大迭代次数默认为100
end
if nargin < 6
    dist0 = 10; %初始步长默认为10
end
if nargin < 5
    TolFun = 1e-8; %函数值误差为1e-8
end
if nargin < 4
    TolX = 1e-6; %自变量距离误差
end
%%%%%第一步,求解的初值的函数值
x = x0;
fx0 = feval(f,x0);
fx = fx0;
dist = dist0;
kmax1 = 25; %线性搜索法确定步长的最大搜索次数
warning = 0; 
%%%%%迭代计算求最优解

for k = 1: MaxIter
    g = feval(grad,x);
    g = g/norm(g); %求在x处的梯度方向
    %%线性搜索方法确定步长
    dist = dist*2; %令步长为原步长的二倍
    fx1 = feval(f,x-dist*2*g);
    for k1 = 1:kmax1
        fx2 = fx1;
        fx1 = feval(f,x-dist*g);
        if fx0 > fx1+TolFun & fx1 < fx2 - TolFun %fx0 > fx1 < fx2,
            den = 4*fx1 - 2*fx0 - 2*fx2;num = den - fx0 + fx2;  %二次逼近法
            dist = dist*num/den;
            x = x - dist*g; fx = feval(f,x); %确定下一点
            break;
        else
            dist = dist/2;
        end
    end
    if k1 >= kmax1
        warning = warning + 1; %无法确定最优步长
    else
        warning = 0;
    end
    if warning >= 2|(norm(x - x0) < TolX&abs(fx - fx0) < TolFun)
        break;
    end
    x0 = x;
    fx0 = fx;
end
xo = x; fo = fx;
k_cnt = k_cnt+1;
if k == MaxIter
    fprintf('Just best in %d iterations',MaxIter);
end

%function [xo,fo,k_cnt] = Opt_Steepest(f,grad,x0,TolX,TolFun,dist0,MaxIter)
% 用最速下降法求最优化解mini f(x)
%输入:f为函数名 grad为梯度函数
%x0为解的初值 TolX,TolFun分别为变量和函数的误差阈值
%dist0为初始步长 MaxIter为最大迭代次数
%输出: xo为取最小值的点 fo为最小的函数值
disp('******************最速下降法******************')
X4_0 = [1 4]'; %初值是列向量
dist0 =1; %dist0为初始步长
it_max=10000;
eps=1e-6;
[x4,y4,k4_cnt] = Opt_Steepest(@fun4,@gfun4,X4_0,eps,eps,dist0,it_max);
disp('迭代次数:k_cnt=')
disp(k4_cnt)
disp(['最优解:xo = '])
disp(x4)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(y4)

X5_0 = [1 1]'; %初值是列向量
dist0 =1; %dist0为初始步长
it_max=10000;
eps=1e-6;
[x5,y5,k5_cnt] = Opt_Steepest(@fun5,@gfun5,X5_0,eps,eps,dist0,it_max);
disp('迭代次数:k_cnt=')
disp(k5_cnt)
disp(['最优解:xo = '])
disp(x5)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(y5)
****最速下降法******************
迭代次数:k_cnt=
     1
最优解:xo = 
    4.6663
    4.3328
此时: Y = f(x) =  
  -20.3333
迭代次数:k_cnt=
     1
最优解:xo = 
     3
     2
此时: Y = f(x) =  
     0

共轭梯度法

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function[x,val,k]=ConJgradMethod(fun,gfun,x0)
%功能:用共轭梯度法求无约束问题 mini f(x)
%输入:fun,gfun分别是目标函数和梯度,x0是初始点
%输出:x,val分别是近似最优点和最优值,k表示迭代次数
    k=0;
    maxk=5000;
    rho=0.6;
    sigma=0.4;
    e=1e-5;%精度
    n=length(x0);
    while(k<maxk)
        g=feval(gfun,x0);%求梯度
        itern=k-(n+1)*floor(k/(n+1));%用于重新开始
        itern=itern+1;
         %计算搜索方向
         if(itern==1)
             d=-g;
         else
             beta=(g'*g)/(g0'*g0);
             d=-g+beta*d0;
             gd=g'*d; %当搜索方向不是下降方向时,插入负梯度方向作为搜索方向
             if(gd>=0.0)
                 d=-g;
             end
         end
         if(norm(g)<=e) 
             break;
         end
        m=0;
        mk=0;
        while(m<20)
            if(feval(fun,x0+rho^m*d)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*g'*d)
                    mk=m;
                    break;
            end
          m=m+1;
        end
        x0=x0+d*rho^mk;
        val=feval(fun,x0);
         g0=g;
        d0=d;
        k=k+1;
    end
    x=x0;
    val=fun(x);%就是f在x处的函数值
end

function[x,val,k]=ConJgradMethod(fun,gfun,x0)
%功能:用共轭梯度法求无约束问题 mini f(x)
%输入:fun,gfun分别是目标函数和梯度,x0是初始点
%输出:x,val分别是近似最优点和最优值,k表示迭代次数
    k=0;
    maxk=5000;
    rho=0.6;
    sigma=0.4;
    e=1e-5;%精度
    n=length(x0);
    while(k<maxk)
        g=feval(gfun,x0);%求梯度
        itern=k-(n+1)*floor(k/(n+1));%用于重新开始
        itern=itern+1;
         %计算搜索方向
         if(itern==1)
             d=-g;
         else
             beta=(g'*g)/(g0'*g0);
             d=-g+beta*d0;
             gd=g'*d; %当搜索方向不是下降方向时,插入负梯度方向作为搜索方向
             if(gd>=0.0)
                 d=-g;
             end
         end
         if(norm(g)<=e) 
             break;
         end
        m=0;
        mk=0;
        while(m<20)
            if(feval(fun,x0+rho^m*d)<feval(fun,x0)+sigma*rho^m*g'*d)
                    mk=m;
                    break;
            end
          m=m+1;
        end
        x0=x0+d*rho^mk;
        val=feval(fun,x0);
         g0=g;
        d0=d;
        k=k+1;
    end
    x=x0;
    val=fun(x);%就是f在x处的函数值
end

非梯度搜索算法Nelder_Mead方法

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function [x,fval,flag,kcnt]=Nelder_Mead(fun,x0, max_time,eps)
% realization of Nelder-Mead Simplex
% [x fval flag] = nm_min(f , x0 , max_time , eps)
% max_time:最大迭代次数,默认10000
% eps:精度,默认1e-5
%参数检查
    kcnt =0;
  if nargin < 2
       error('请至少传入函数和初始点');
  end
% 默认值设置
   if nargin < 3
       max_time = 10000 ;
   end
   if nargin < 4
       eps = 1e-5 ;   
   end
   n = length(x0) ;%变量个数
   x0 = x0(:) ; %把x0变成列向量
   % vx是单纯形矩阵,n行n+1列
   % 即n维空间中的n+1个点
   vx = x0 ;
   % vf是函数值,对应每个列向量
   vf = feval(fun , x0) ;
   % 构造初始单纯形
   % 分别对每个维度按一定比例扩张,以形成一个高维体
   for i = 1:n    
        x = x0 ;
        if abs(x(i)) < eps
        x(i) = x(i) + 0.005 ;%该维度上为0时,人工指定加上一定值
        else
            x(i) = x(i) * 1.05 ;
        end
        vx = [vx , x] ;
        vf = [vf , feval(fun,x)] ;
   end
      %排序,做迭代准备
      [vf,index] = sort(vf) ;
      vx = vx(:,index) ;
      %开始迭代
      while max_time > 0
        %各个点在各维度上的差值足够小
       if (max(max(abs(vx(:,2:n+1)-vx(:,1:n)))) < eps)
                    break
      end
        %三个考察点,最优,次差,最差
            best = vx(: , 1) ;
            fbest = vf(1) ;
            soso = vx(: , n) ;
            fsoso = vf(n) ;
            worst = vx(: , n+1) ;
            fworst = vf(n+1) ;       
            center = sum(vx(:, 1:n) , 2) ./ n ;
        r = 2 * center - worst ;%反射点
        fr = feval(fun , r) ;
         if fr < fbest
              % 比最好的结果还好,说明方向正确,考察扩展点,
              % 以期望更多的下降
              e = 2 * r - center ; %扩展点
              fe = feval(fun , e) ;
              % 在扩展点和反射点中选择较优者去替换最差点
              if fe < fr
                  vx(: , n+1) = e ;
                  f(: , n+1) = fe ;
              else
                  vx(: , n+1) = r ;
                  vf(: , n+1) = fr ;
              end
      else 
        if fr < fsoso
            %比次差结果好,能够改进
            vx(: , n+1) = r ;
            vf(: , n+1) = fr ;           
       else
            % 比次差结果坏,应该考察压缩点当压缩点无法
            % 得到更优值的时候,考虑收缩
            shrink = 0 ;
        
            if fr < fworst
                %由于r点更优所以向r点的方向找压缩点
                c = ( r + center ) ./ 2 ;
                fc = feval(fun , c) ;
                if fc < fr      %确定从r压缩向c可以改进
                    vx(: , n+1) = c ;
                    vf(: , n+1) = fc ;
                else
                    %否则的话,准备进行收缩
                    shrink = true ;
                end
            else
                c = (worst + center) ./ 2 ;
                fc = feval(fun , c) ;
                if fc < fr   %确定从r压缩向c可以改进
                     vx(: , n+1) = c ;
                     vf(: , n+1) = fc ;
                else       %否则的话,准备进行收缩
                    shrink = 1 ;
                end               
            end  %fr < fworst
            if shrink    %压缩点并非更优,考虑所有点向best收缩
                for i = 2:n+1
                    vx(: , i) = ( vx(i) + best ) ./ 2 ;
                    vf(: , i) = feval(fun , vx(: , i)) ;
                end
            end %shrink
                      end  %fr < fsoso
         end  %fr < fbest
         [vf,index] = sort(vf) ;
         vx = vx(:,index) ;   
         max_time = max_time - 1 ;
             kcnt = kcnt+1;
      end  %while max_time > 0
      x = vx(: , 1) ;
      fval = vf(: , 1);
      if max_time > 0
         flag = 1 ;
      else
         flag = 0 ;
      end
  end

%Nelder-Mead方法实现代码
% [x fval flag] = Nelder_Mead(f , x0 , max_time , eps)
% max_time:最大迭代次数 eps:精度
f1 =@(x) (x(1).^2+(x(2)-2).^2);
numx1 = [0,0];
[nmx1, fval_1, flag,kcnt1] = Nelder_Mead(f1, numx1);
disp('迭代次数:kcnt1=')
disp(kcnt1)
disp(['最优解:nmx1 = '])
disp(nmx1)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(fval_1)

f2 =@(x) (2*x(1).^2+x(2).^2-10*x(1)*x(2)+4*x(1)*(x(2)^3));
numx2 = [1,1];
[nmx2, fval_2, flag,kcnt2] = Nelder_Mead(f2, numx2);
disp('迭代次数:kcnt2=')
disp(kcnt2)
disp(['最优解:nmx2 = '])
disp(nmx2)
disp(['此时: Y = f(x) =  ']) 
disp(fval_2)

%-----------单形替换法---主函数-----------%
function [DanXingTiHuanFa_x, DanXingTiHuanFa_xf, DanXingTiHuanFa_n] = DanXingTiHuanFa(E, x0)
    n = 0;     %迭代次数统计
    N = length(x0);     %获取x0的维数
 
    %将x0存储到X中的第n+1列
    X(:, N+1) = x0;
    %x0的函数值,存储在F_X的第n+1位中
    F_X(N+1) = func(x0); 
    
    for i = 1:N 
         d = 2*rand([N,1])-1;       %根据x0的维数生成[-1,1]之间的随机向量d
         d = d / norm(d);           %单位化
         X(:, i) = x0 + 1.3 * d;    %求xi,存到X的第i列    
         F_X(i) = func(X(:, i));    %求n个顶点对应函数值,存储在FX中的对应位置
    end
    
    while 1
        %设求和初值为第N+1个
        Xsum = X(:, N+1);
        %给最大最小值一个初值用于比较,初值为x0的函数值
        F_Xmin = F_X(N+1);
        F_Xmax = F_X(N+1);
        F_Xmin_N = N+1;
        F_Xmax_N = N+1;
        for i = 1:N 
            %找函数值的最大、最小值
            if F_X(i) < F_Xmin
                F_Xmin = F_X(i);
                F_Xmin_N = i;     %记录最小函数值的索引位置
            end
            if F_X(i) > F_Xmax
                F_Xmax = F_X(i);
                F_Xmax_N = i;     %记录最大函数值的索引位置
            end
            %所有x(n+1个)求和
            Xsum = Xsum + X(:, i);
        end 
        
        %得到最值点
        Xmin = X(:, F_Xmin_N);
        Xmax = X(:, F_Xmax_N);
        
        %求形心
        Xsum = Xsum - Xmax;         %在n+1个的求和中,剔除最大点
        Xavg = Xsum / N;            %求出形心点
        
        %收敛条件
        %if 1/3 * sqrt((F_Xmin - F_Xmax)^2 + (F_Xmin - func(Xavg))^2 + (func(Xavg) - F_Xmax)^2) <= E
        if 1/3 * (norm(Xmin-Xmax) + norm(Xavg-Xmax) + norm(Xmin-Xavg)) <= E
            break
        end
        
        n = n+1;
        
        %反射计算
        xr = Xavg + 1.3*(Xavg - Xmax);    %反射计算,反射计算取1.3(或取1)

        %延伸计算
        if func(xr) < F_Xmax
            xe = xr + 1.3*(xr-Xavg);      %延伸系数这里取1.3(1-2之间)
            if func(xe) < func(xr)
                X(:, F_Xmax_N) = xe;
                F_X(F_Xmax_N) = func(xe);
                continue         %比较函数值大小
            else
                X(:, F_Xmax_N) = xr;
                F_X(F_Xmax_N) = func(xr);
                continue
            end
        else
            %收缩计算
            xs = Xmax + 0.5*(Xavg - Xmax);   %收缩系数这里取0.5(0.5-0.7)
            if func(xs) < F_Xmax
                X(:, F_Xmax_N) = xs;
                F_X(F_Xmax_N) = func(xs);
                continue
            else
                %缩边计算
                for i=1:N+1
                    X(:, i) = Xmin + 0.5*(X(:, i)-Xmax);
                    F_X(i) = func(X(:, i));
                end
            end
        end
      end

    %-----------返回计算结果-----------%
    DanXingTiHuanFa_x = Xmin; 
    DanXingTiHuanFa_xf = func(Xmin);
    DanXingTiHuanFa_n = n;     
end

%-----------调用单形替换法2-----------%
x0 = [2;1];
E = 1e-8;
[DanXingTiHuanFa_x, DanXingTiHuanFa_xf, DanXingTiHuanFa_n] = DanXingTiHuanFa(E, x0);
fprintf('单形替换法:\n')
fprintf('极值点为:[%f, %f, %f, %f] \n',DanXingTiHuanFa_x)
fprintf('极值为:%f\n',DanXingTiHuanFa_xf)
fprintf('迭代次数为:%d\n\n',DanXingTiHuanFa_n)

function f=func(x)
f = 2*x(1).^3+4*x(1)*x(2).^3-10*x(1)*x(2)+x(2).^2;
end

单形替换法:
极值点为:[1.001558, 0.833451, 极值为:-3.324089
迭代次数为:69

Powell法

function [x_min,f_min] = PowellImprovedMethod(func,x0,options)
%Powell
if nargin<3
    options.tol = 1e-12;
    options.iterNum = 1000;
    options.bracketMethod = '';
    options.linearSrcMethod = '';
    options.plot2.Flag = 0;
    options.plot2.x = [];
    options.plot2.y = [];
    options.plot2.z = [];
end
tol = options.tol;
iterNum = options.iterNum;

plot2 = options.plot2;
if length(x0)~=2
    plot2.Flag = 0;
end
x_min = x0;
f_min = func(x0);
E = eye(length(x0));
xk = x0;
f_pre = func(xk);
f = f_pre+1e10;
if plot2.Flag == 1
    figure,subplot(1,2,1),axis equal, hold on;
    contourf(plot2.x,plot2.y,plot2.z,30,'linestyle','-')
    colormap('jet');
    tempf =f_pre;
end
while(iterNum)
    x1k = xk;
    deltaM_max = -inf;
    di = 1;
    for i=1:1:length(x0)
        d = E(:,i);
        lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
        [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
        lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
        xk1 = xk + lamda.*d;
        f =func(xk1);
        if plot2.Flag == 1
            tempf = [tempf,f];
            subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
            subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
            axis([0,60,-10,func(x0)]);
            xlabel('Step');
            ylabel('Objective Function Value');
        end
        
        deltaM = func(xk) - f;
        if deltaM_max<deltaM
            deltaM_max = deltaM;
            di = i;
        end
        xk = xk1;
        iterNum = iterNum - 1;
    end
    
    
    x2k = 2.*xk-x1k;
    f0 = f_pre;f2 = f;f3 = func(x2k);
    
    if (f3<f0&&(f0-2*f2+f3)*(f0-f2-deltaM_max)^2<0.5*deltaM_max*(f0-f3)^2 )
        d = xk-x1k;
        lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
        [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
        lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
        xk1 = xk + lamda.*d;
        f =func(xk1);
        E(:,di) = [];
        E = [E,d];
    else
        if f2<f3
            xk1 = xk;
            f =func(xk1);
        else
            xk1 = x2k;
            f =func(xk1);
        end
    end
    if plot2.Flag == 1
        tempf = [tempf,f];
        subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
        subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
        axis([0,60,-10,func(x0)]);
        xlabel('Step');
        ylabel('Objective Function Value');
    end
    xk = xk1;
    iterNum = iterNum - 1;
    
    if abs(f-f_pre)<tol||iterNum == 0
        x_min = xk;
        f_min = f;
        break;
    else
        f_pre = f;
    end
    E;
end

functionx_min=GoldSection(func,a,b,toll,plotFlag)
%确保[a,b]为单峰区间
if nargin < 5
    plotFlag = 0;
end
if nargin < 4
    toll = 10^(-8);
end
if (a>b)
    [a,b]=swap(a,b);
end
GOLD = (sqrt(5)-1)/2;
%step 1 初始化x1 x2
x1 = a+(1-GOLD)*(b-a);
x2 = a+GOLD*(b-a);
fx1 = func(x1);
fx2 = func(x2);
if plotFlag == 1
    figH = figure();
    abInt = (b-a)/100;
    xx = a:abInt:b;
    for i = 1:1:length(xx)
        yy(i) = func(xx(i));
    end
    plot(xx,yy,'-b',a,func(a),'-*r',b,func(b),'-*g');
    hold on;
end
%step 2 ,迭代缩短区间
while abs(a-b)>toll
    if fx1<fx2 %如果fx1<fx2,则说明极小点在a x2区间内
        b = x2;
        x2 = x1;
        fx2 = fx1;
        x1 = a + (1-GOLD)*(b-a);
        fx1 = func(x1);
    elseif fx1 == fx2
        a = x1;
        b = x2;
        x1 = a+(1-GOLD)*(b-a);
        x2 = a+GOLD*(b-a);
        fx1 = func(x1);
        fx2 = func(x2);       
    else%反之,则说明极小点在x1 b之间
        a = x1;
        x1 = x2;
        fx1 = fx2;
        x2 = a + GOLD*(b-a);
        fx2 = func(x2);
    end
    if plotFlag == 1
        pause(0.15);
        plot(a,func(a),'-*r',b,func(b),'-*g');
    end
end
x_min = (a+b)/2;
end

function[a,b]=swap(a,b)
t=a;
a=b;
b=t;
end
functiona=SignFunc(a,x)
a = abs(a);
if x<0
    a = -a;
end
end

XX7_1 = [1 1]'; %初值是列向量
[x_min1,f_min1] = PowellImprovedMethod(@fun6,XX7_1);
disp(['最优解:x_min1 = '])
disp(x_min1)
disp(['此时: Y = f(x) =f_min1  ']) 
disp(f_min1)

function [x_min,f_min]=ConjugateDirectionMethod(func,x0,options)
%Powell
if nargin<3
    options.tol = 1e-12;
    options.iterNum = 1000;
    options.bracketMethod = '';
    options.linearSrcMethod = '';
    options.plot2.Flag = 0;
    options.plot2.x = [];
    options.plot2.y = [];
    options.plot2.z = [];  
end
tol = options.tol;
iterNum = options.iterNum;

plot2 = options.plot2;
if length(x0)~=2
    plot2.Flag = 0;
end
x_min = x0;
f_min = func(x0);
E = eye(length(x0));
%E = [1,0;-1,1];
xk = x0; 
f_pre = func(xk);
f = f_pre+1e10;
if plot2.Flag == 1 
    figure,subplot(1,2,1),axis equal, hold on;
    contourf(plot2.x,plot2.y,plot2.z,30,'linestyle','-')
    colormap('jet');
    tempf =f_pre;
end
while(iterNum)
    x1k = xk;
    for i=1:1:length(x0) 
        d = E(:,i);
        lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
        [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
        lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
        xk1 = xk + lamda.*d;
        f =func(xk1);
        if plot2.Flag == 1 
            tempf = [tempf,f];
            subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
            subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
            axis([0,60,-10,func(x0)]);
            xlabel('Step');
            ylabel('Objective Function Value');
        end
        xk = xk1;
        iterNum = iterNum - 1;
    end
    d = xk-x1k;
    lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
    [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
    lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
    xk1 = xk + lamda.*d;
    f =func(xk1);
    if plot2.Flag == 1
        tempf = [tempf,f];
        subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
        subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
        axis([0,60,-10,func(x0)]);
        xlabel('Step');
        ylabel('Objective Function Value');
    end
    xk = xk1;
    iterNum = iterNum - 1;
    if abs(f-f_pre)<tol||iterNum == 0
            x_min = xk;
            f_min = f;
            break;
    else
        f_pre = f;
    end    
    E(:,1) = [];
    E = [E,d];
end

function [x_min,f_min]=ConjugateDirectionMethod(func,x0,options)
%Powell
if nargin<3
    options.tol = 1e-12;
    options.iterNum = 1000;
    options.bracketMethod = '';
    options.linearSrcMethod = '';
    options.plot2.Flag = 0;
    options.plot2.x = [];
    options.plot2.y = [];
    options.plot2.z = [];  
end
tol = options.tol;
iterNum = options.iterNum;

plot2 = options.plot2;
if length(x0)~=2
    plot2.Flag = 0;
end
x_min = x0;
f_min = func(x0);
E = eye(length(x0));
%E = [1,0;-1,1];
xk = x0; 
f_pre = func(xk);
f = f_pre+1e10;
if plot2.Flag == 1 
    figure,subplot(1,2,1),axis equal, hold on;
    contourf(plot2.x,plot2.y,plot2.z,30,'linestyle','-')
    colormap('jet');
    tempf =f_pre;
end
while(iterNum)
    x1k = xk;
    for i=1:1:length(x0) 
        d = E(:,i);
        lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
        [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
        lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
        xk1 = xk + lamda.*d;
        f =func(xk1);
        if plot2.Flag == 1 
            tempf = [tempf,f];
            subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
            subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
            axis([0,60,-10,func(x0)]);
            xlabel('Step');
            ylabel('Objective Function Value');
        end
        xk = xk1;
        iterNum = iterNum - 1;
    end
    d = xk-x1k;
    lamdaFuncH = @(lamda)(func(xk+lamda.*d));
    [a,b,c] = bracketAdvanceBack(lamdaFuncH,0,0.01);
    lamda = GoldSection(lamdaFuncH,a,c,1e-12);
    xk1 = xk + lamda.*d;
    f =func(xk1);
    if plot2.Flag == 1
        tempf = [tempf,f];
        subplot(1,2,1),plot([xk(1),xk1(1)],[xk(2),xk1(2)],'-o','LineWidth',2);
        subplot(1,2,2),plot(tempf,'-b.','LineWidth',2); grid on;
        axis([0,60,-10,func(x0)]);
        xlabel('Step');
        ylabel('Objective Function Value');
    end
    xk = xk1;
    iterNum = iterNum - 1;
    if abs(f-f_pre)<tol||iterNum == 0
            x_min = xk;
            f_min = f;
            break;
    else
        f_pre = f;
    end    
    E(:,1) = [];
    E = [E,d];
end

XX7_0 = [1 1]'; %初值是列向量
[x_min,f_min] = ConjugateDirectionMethod(@fun6,XX7_0);
disp(['最优解:x_min = '])
disp(x_min)
disp(['此时: Y = f(x) =f_min1  ']) 
disp(f_min)

推荐使用该方法

%-----------鲍威尔法---主函数-----------%
function [BaoWeiErFa_x,BaoWeiErFa_xf,BaoWeiErFa_n]=BaoWeiErFa(E, X0)
    n = length(X0);     %获取x0的维数
    m = 0;              %迭代次数统计
    %定义方向作为列向量存储的矩阵
    D = zeros(n,n);     %根据维数n定义一个1行n列的方向向量基础
    for i = 1:n
        D(i, i) = 1;     %把第n位置为1
    end
    %求X0的函数值
F_X0 = func(X0);
    while 1
        m = m + 1;
        %从X0经过n次坐标轮换一维搜索得到X1
        X0_s = X0;
        FDiff_max = 0;
    for i = 1:n
        [X1, F_X1] = YiWeiSouSuo(X0_s, D(:,i), E);
      FDiff = func(X0_s) - func(X1);          %计算相邻两点函数值的差
            if FDiff > FDiff_max                 %找出函数值最大下降量
                FDiff_max = FDiff;
                FDiff_max_n = i;
            end
            X0_s = X1;
        end
        %求反射点
        Xr = 2 * X1 - X0;
        F_Xr = func(Xr);
        if (F_Xr < F_X0) && ((F_X0 + F_Xr - 2*F_X1) * (F_X0 - F_X1 - FDiff_max)^2  < 0.5 * (F_X0 - F_Xr))
            %改变方向
            %将FDiff_max_n后面的数整体往前一位移动一个
            for i = FDiff_max_n+1:n
                D(:,i-1) = D(:,i);
            end
            %将新方向放到最后一位
            D(:, n) =  X1 - X0;
            %求下一轮的起始点
            [X0_1, F_X0_1] = YiWeiSouSuo(X1, X1 - X0, E);
        else
            %不改变方向,取Xr与X1中函数值较小的为下一轮起点
            if F_Xr < F_X1
                X0_1 = Xr;
                F_X0_1 = F_Xr;
            else
                X0_1 = X1;
                F_X0_1 = F_X1;
            end
        end
        
        if norm(X1-X0) < E
            break
        else
            X0 = X0_1;
            F_X0 = F_X0_1;
        end
end
    BaoWeiErFa_x = X0_1;%最优点
    BaoWeiErFa_xf = F_X0_1;%最优点对应函数值
    BaoWeiErFa_n = m;  %迭代次数
end
%-----------黄金分割法---主函数-----------%
function [HJFGF_x, HJFGF_xf, HJFGF_n] = HuangJinFenGeFa(a,b,w)
    k=(5^(1/2)-1)/2;      %(5^(1/2)-1)/2约等于0.618
    c = a + (1-k) * (b-a);
    d = a + k * (b-a);
    n = 0;        %迭代次数统计
    %缩小区间到精度要求
    while norm(a-b) > w
        n = n + 1;
        if func(c) < func(d)
            a = a;
            b = d;
            d = c;
            c = a + (1-k) * (b-a);
        elseif func(c) > func(d)
            a = c;
            c = d;
            b = b;
            d = a + k * (b-a); 
        else
            a = c;
            b = d;
            c = a + (1-k) * (b-a);
            d = a + k * (b-a);      
        end
    end
    %比较区间端点值大小
    if func(a) < func(b)    
        HJFGF_x = a;        
        HJFGF_xf= func(a);
    else
        HJFGF_x = b;
        HJFGF_xf = func(b);
    end
    HJFGF_n = n;
%-----------进退法---主函数-----------%
function [JT_a, JT_b, JT_c] = JinTuiFa(x0,a,d)      %x0为初值,a为初始步长,d为方向
    %计算x1
    x1 = x0 + a * d;
    %前进后退标志符,n=1意味着上一次是前进
    n=1;
    %判断前进还是后退运算
    if func(x1) > func(x0)
        JT_c = x1;
        [JT_a, JT_b]=Back(x0,x1,a,n,d);
    else
        JT_a = x0;
        [JT_b, JT_c]=Front(x0,x1,a,n,d);
    end
%-----------后退运算---子函数-----------%
function [B_a, B_b] = Back(x0,x1,a,n,d)
    if n == 1
        n = 0;
    else
        a = 2 * a;
    end
    x2 = x0 - a * d;
    if func(x2) < func(x0)
        x1 = x0;
        x0 = x2;
        [B_a, B_b] = Back(x0,x1,a,n,d);     %递归
    else
        B_a = x2;
        B_b = x1;
    end
%-----------前进运算---子函数-----------%
function [F_a, F_b] = Front(x0,x1,a,n,d)
    if n == 0
        n = 1;
    else
        a = 2 * a;
    end
    x2 = x1 + a * d;
    if func(x2) < func(x1)
        x0 = x1;
        x1 = x2;
        [F_a, F_b] = Front(x0,x1,a,n,d);
    else
        F_a = x0;
        F_b = x2;
    end
%-----------整合一维搜索---子函数-----------%  
function[YiWeiSouSuo_x,YiWeiSouSuo_fx]= YiWeiSouSuo(Start,Dir,E)
    [JT_a, JT_b, JT_c] = JinTuiFa(Start, 0.01, Dir);
    [HJFGF_x, HJFGF_f, HJFGF_n] = HuangJinFenGeFa(JT_a, JT_c, E);
    YiWeiSouSuo_x = HJFGF_x;
    YiWeiSouSuo_fx = HJFGF_f;
end
function f=func(x)
f = 2*x(1).^3+4*x(1)*x(2).^3-10*x(1)*x(2)+x(2).^2;
end
%-----------调用鲍威尔法-----------%
x0 = [2;1];%初值
E = 1e-8;
[BaoWeiErFa_x, BaoWeiErFa_xf, BaoWeiErFa_n] = BaoWeiErFa(E, x0);
fprintf('鲍威尔法:\n')
fprintf('极值点为:[%f, %f]\n',BaoWeiErFa_x)
fprintf('极值为:%f\n',BaoWeiErFa_xf)
fprintf('迭代次数为:%d\n\n',BaoWeiErFa_n)
鲍威尔法:
极值点为:[1.001558, 0.833451]
极值为:-3.324089
迭代次数为:4

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