Python scipy Moudle 中的 optimize 方法

news2024/9/23 9:36:04
  • Python scipy Moudle 中的 optimize 方法 

scipy Moudle 中的 optimize 方法

minimize

  • 最小化一个函数
    • 它提供了多种算法,如 BFGS、Nelder-Mead、Powell

可选参数

  • fun:要最小化的目标函数
  • x0:函数的初始猜测值。可以是一个数组或列表
  • method:优化算法的名称或方法对象
    • 默认为 'BFGS',可选的值包括 'Nelder-Mead'、'Powell'、'CG' 等
    • - 'Nelder-Mead'
      • cannot handle constraints
    • - 'Powell'  
      • cannot handle constraints
    • - 'CG'    
      • cannot handle constraints nor bounds
    • - 'BFGS'  
      • cannot handle constraints nor bounds
    • - 'Newton-CG'  
      • Jacobian is required
    • - 'L-BFGS-B'   
      • cannot handle constraints
    • - 'TNC' 
      • cannot handle constraints
    • - 'COBYLA' 
      • Constraints of type 'eq' not handled by COBYLA
      • cannot handle bounds
    • - 'SLSQP' 
    • - 'trust-constr'
    • - 'dogleg' 
      • Jacobian is required
    • - 'trust-ncg'   
      • Jacobian is required
    • - 'trust-exact' 
      • Jacobian is required
    • - 'trust-krylov'
      • Jacobian is required

  • jac:目标函数的梯度函数
    • 可以是一个布尔值或函数对象
      • 输入为布尔值则自动计算目标函数的梯度
      • 或者为目标函数的梯度函数
  • bounds:定义变量的上下界限制
    • 一个长度为2列表或元组,表示变量上下界
  • constraints:约束条件
    • 一个列表或字典,每个元素都表示一个约束条件
  • tol:优化算法的终止容忍度
  • options:一个字典,用于设置其他特定优化算法的参数

BFGS

  • Method BFGS cannot handle constraints nor bounds.
import numpy as np
from scipy.optimize import minimize


def objective(x):
    return x[0]**2 + x[1]**2 - x[0]*x[1]*x[2]

def constraint1(x):
    return x[0] + x[1] + x[2] - 10

def constraint2(x):
    return x[0] - x[1] - 2 

def constraint3(x):
    return  - x[1] - x[2] + 5

x0 = np.array([1, 2, 3])

bounds = [(-5, 5), (-5, 5), (-5, 5)]

constraints = [{'type': 'eq', 'fun': constraint1},
               {'type': 'ineq', 'fun': constraint2},
               {'type': 'ineq', 'fun': constraint3}]

result = minimize(objective, x0, method='BFGS', bounds=bounds, constraints=constraints, tol=1e-6)

print("Optimization Result:")
print("x:", result.x)
print("fun:", result.fun)
print("success:", result.success)
print("message:", result.message)
Warning (from warnings module):
  File "C:\Users\LX\AppData\Local\Programs\Python\Python310\lib\site-packages\scipy\optimize\_minimize.py", line 559
    warn('Method %s cannot handle constraints nor bounds.' % method,
RuntimeWarning: Method BFGS cannot handle constraints nor bounds.
Optimization Result:
x: [1512.43480791  204.93489864 1118.04026935]
fun: -344207877.7418728
success: False
message: Desired error not necessarily achieved due to precision loss.
  • Lingo 代码
min=x1^2 + x2^2 - x1*x2*x3;

x1+x2+x3=10;
x1-x2>2;
x2+x3<5;

@bnd(-5, x1, 5);
@bnd(-5, x2, 5);
@bnd(-5, x3, 5);

 

SLSQP

  • 这种迭代随然支持约束 上下界等
  • 但是。。。
    • 不一定得到很正确的结果
import numpy as np
from scipy.optimize import minimize


def objective(x):
    return x[0] - x[1] * x[2]

def constraint1(x):
    return x[0] + x[1] - 2

def constraint2(x):
    return 2 - x[2] - x[1] 

def constraint3(x):
    return  x[2] + x[0] - 2

x0 = np.array([5, -2, 3])

bounds = [(-5, 5), (-5, 5), (-5, 5)]

constraints = [{'type': 'ineq', 'fun': constraint1},
               {'type': 'ineq', 'fun': constraint2},
               {'type': 'ineq', 'fun': constraint3}]

result = minimize(objective, x0, method="SLSQP", bounds=bounds, constraints=constraints, tol=1e-6)

print("Optimization Result:")
print("x:", result.x)
print("fun:", result.fun)
print("success:", result.success)
print("message:", result.message)

 

root

  • 用于求解非线性方程组的根。它提供了多种算法,如 Broyden、Newton-Krylov、Anderson 等。
  • 大多数方法为迭代方法,必须传入猜测着
  • method:指定求解非线性方程组的方法
    • 'lm'(Levenberg-Marquardt)
    • 'broyden1'(Broyden's first method)
    • 'broyden2'(Broyden's second method)
    • 'anderson'(Anderson mixing)
    • 'linearmixing'(linear mixing)
    • 'diagbroyden'(diagonal Broyden)
    • 'excitingmixing'(exciting mixing)
    • 默认值为None
  • jac:指定计算雅可比矩阵的函数。默认值为False
  • tol:指定求解器的容差。默认值为1e-12
from scipy.optimize import root

def equation(x):
    return x**3 - 2*x - 5

sol = root(equation, 0)

print(sol.x)

least_squares

  • 用于最小二乘问题的求解。它提供了多种算法,如 Levenberg-Marquardt、Trust Region Reflective 等
import numpy as np
from scipy.optimize import least_squares
import matplotlib.pyplot as plt

#目标函数
def func(x, p):
    return p[0] * np.exp(p[1] / x) - p[2] * x**2

f = lambda x:5*np.e**(2/x) - 4*x**2

#残差函数
def residual(p, x, y):
    return func(x, p) - y


x = np.array([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10])
y = f(x)
noise = np.random.uniform(-0.6, 0.6, len(x))
y += noise

#猜测值
p0 = np.array([1., 2., 3.])


result = least_squares(residual, p0, args=(x, y))


print("拟合参数:", result.x)
X = np.linspace(1, 10, 100)
Y = f(X)
plt.plot(X, Y, label="function")
plt.scatter(x, y, label="points")
plt.pause(0.01)

 

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