Konjugaattigradienttimenetelmä

Samankaltaiset tiedostot
Iteratiiviset ratkaisumenetelmät

Inversio-ongelmien laskennallinen peruskurssi Luento 7 8

Pienimmän neliösumman menetelmä

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Luento 10: Optimointitehtävien numeerinen ratkaiseminen; optimointi ilman rajoitusehtoja

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Numeeriset Menetelmät, P. Keijo Ruotsalainen Teknillinen tiedekunta matematiikan jaos

Numeeriset Menetelmät, P. Keijo Ruotsalainen Teknillinen tiedekunta matematiikan jaos

MATEMATIIKAN JAOS NUMEERISET MENETELMÄT

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Numeeriset menetelmät

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

Funktioiden approksimointi ja interpolointi

Reuna-arvotehtävien ratkaisumenetelmät

Teknillinen tiedekunta, matematiikan jaos Numeeriset menetelmät

Taustatietoja ja perusteita

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

Este- ja sakkofunktiomenetelmät

Lineaarinen toisen kertaluvun yhtälö

Numeeriset menetelmät

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 5. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 5 () Numeeriset menetelmät / 28

5.1. Normi ja suppeneminen Vektoriavaruus V on normiavaruus, jos siinä on määritelty normi : V R + = [0, ) jolla on ominaisuudet:

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Matemaattinen Analyysi / kertaus

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Numeeriset menetelmät

Lineaarialgebra, kertausta aiheita

Luento 5: Suurten lineaaristen yhtälöryhmien ratkaiseminen iteratiivisilla menetelmillä

Numeeriset menetelmät

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Neliömatriisin adjungaatti, L24

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Keskeiset tulokset heikko duaalisuus (duaaliaukko, 6.2.1) vahva duaalisuus (6.2.4) satulapisteominaisuus (6.2.5) yhteys KKT ehtoihin (6.2.

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 4. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 4 () Numeeriset menetelmät / 44

3.2.2 Tikhonovin regularisaatio

Paikannuksen matematiikka MAT

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

1 Perusteita lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

Numeerinen integrointi ja derivointi

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 13: ti klo 13:00-15:30 ja to 1.4.

Insinöörimatematiikka D

Shorin algoritmin matematiikkaa Edvard Fagerholm

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Yhtälöryhmän iteratiivinen ratkaiseminen

Maximum likelihood-estimointi Alkeet

MATRIISIALGEBRA. Harjoitustehtäviä syksy Olkoot A =, B =

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 3. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 3 () Numeeriset menetelmät / 45

Duaalisuus kokonaislukuoptimoinnissa. Mat , Sovelletun matematiikan tutkijaseminaari, kevät 2008, Janne Karimäki

Insinöörimatematiikka D

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Matematiikan tukikurssi

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Ax, y = x, A y. A = A A hermiittinen. Jokainen reaalinen ja symmetrinen matriisi on määritelmän mukaan myös hermiittinen. A =, HARJOITUSTEHTÄVIÄ

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Luento 11: Rajoitusehdot. Ulkopistemenetelmät

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Kirjallisuuskatsaus sisäpistemenetelmiin ja niiden soveltamiseen eri optimointiluokille (valmiin työn esittely)

Vektorilaskenta, tentti

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

1. Normi ja sisätulo

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

OPTIMOINNIN PERUSTEET. Keijo Ruotsalainen

Insinöörimatematiikka D

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA, MATEMATIIKAN JAOS

f[x i ] = f i, f[x i,..., x j ] = f[x i+1,..., x j ] f[x i,..., x j 1 ] x j x i T n+1 (x) = 2xT n (x) T n 1 (x), T 0 (x) = 1, T 1 (x) = x.

Matriisialgebra harjoitukset, syksy x 1 + x 2 = a 0

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Harjoitus 4 / Ratkaisut

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Transkriptio:

Konjugaattigradienttimenetelmä Keijo Ruotsalainen Division of Mathematics

Konjugaattigradienttimenetelmä Oletukset Matriisi A on symmetrinen: A T = A Positiivisesti definiitti: x T Ax > 0 kaikille x 0 Tällöin Lause 1 Ax = b min x R n 2 xt Ax b T x. Symmetrinen matriisi A R n n on positiivisesti definiitti, jos ja vain jos sen ominaisarvot ovat positiivisia. Esim. [ ] 2 2 Ovatko matriisit A = ja B = 2 5 positiivisesti definiittejä. [ ] 2 4 symmetrisiä ja 4 5 Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 2 / 13

Perusominaisuudet Ratkaisu x = A 1 b saavutetaan iteratiivisesti n:llä iteraatiolla (eksaktissa aritmetiikassa). Jokainen välivaihe x k on minimointiongelman ratkaisu. Jokainen muutos "x k x k+1 "on konjugoitu kaikkiin edellisiin muutoksiin nähden. Jokaisella iteraatiolla lasketaan ns. hakusuunta d k ja jäännösvektori r k = b Ax k. Konjugoidut suunnat Vektorit d 1,..., d k ovat konjugoituja l. A-ortogonaalisia, jos d T i Ad j = 0, i j. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 3 / 13

Initialisointi Funktion f(x) = 1 2 xt Ax b T x gradientti f(x) = Ax b.. Aloituspiste x 0 = 0, Hakusuunta funktion f(x) gradientti ko. pisteessä: d 0 = r 0 = b Ax 0 = b. 1-ulott. minimointivaihe: min α g(α) = f(x 0 +αd 0 ) g (α 0 ) = f(x 0 +α 0 d 0 ) T d 0 = α 1 d T 0 Ad 0 b T d 0 = 0. Askelpituus: α 0 = bt d 0 d0 TAd. 0 Seuraava piste: x 1 = x 0 +α 0 d 0. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 4 / 13

Yleinen iteraatio Edellisillä iteraatioilla määrätty pisteet x 0, x 1,..., x k =, jäännösvektorit r 0 = b, r 1 = b Ax 1,..., r k = b Ax k ja konjugoidut suunnat d 0, d 1,..., d k 1. Uusi konjugoitu suunta d k = r k +β k d k 1. Kerroin β k määräätään A-ortogonaalisuuden avulla: d T k Ad k 1 = r T k Ad k 1 +β k d T k 1 Ad k 1 = 0. Näin ollen kerroin β k = rt k Ad k 1 dk 1 T Ad. k 1 Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 5 / 13

Minimointivaihe Minimoidaan g(α) = f(x k +αd k ). Minimi löytyy derivaatan nollakohdasta g (α k ) = α k d T k Ad k r T k d k = 0. Askelpituus α k = rt k d k dk TAd. k Uusi approksimaatio on x k+1 = x k +α k d k Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 6 / 13

Aputulos 1 lemma Jäännösvektori pisteessä x k on kohtisuorassa vektoria d k 1 vasten, ts. d T k 1 r k = 0. Tod.: Koska funktion g(α) = f(x k 1 +αd k 1 ) minimi löytyy arvolla α k 1 derivaatan nollakohdassa, niin 0 = f(x k 1 +α k 1 d k 1 ) T d k 1 = r T k d k 1, sillä funktion f(x) gradientti pisteessä x k on jäännösvektori r k. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 7 / 13

Aputulos 2 lemma Kaikilla k: rk+1 T r k = 0. Tod.: Konjugoitujen suuntien konstruktion perusteella d k = r k +β k d k 1 ja jäännösvektorin r k+1 = b Ax k+1 määritelmän nojalla r k+1 = r k α k Ad k. Näin ollen edellisen lemman nojalla 0 = r T k+1 d k = r T k+1 r k +β k r T k+1 d k 1 = r T k+1 r k +β k [r k α k Ad k ] T d k 1 = r T k+1 r k. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 8 / 13

Vakioiden päivitys Konjugoidun suunnan ja gradientin ortogonaalisuuden nojalla Vastaavasti: α k = rt k d k dk TAd = rt k (r k +β k d k 1 ) dk TAd = r k 2 k dk TAd. k r k+1 2 = rk+1 T r k α k rk+1 T Ad k = r k 2 dk TAd rk+1 T Ad k, k niin β k+1 = r k+1 2 r k 2. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 9 / 13

Konjugaattigradienttimenetelmä Algoritmi 1. Initialisointi: x 0 = 0, r 0 = d 0 = b; 2. Kaikille k=0,...,n-1 β k = r k 2 r k 1 2, β 0 = 0 d k = r k +β k d k 1, d 0 = r 0 α k = r k 2 dk TAd k x k+1 r k+1 = x k +α k d k = r k α k Ad k Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 10 / 13

Esikäsitelty konjugaattigradienttimenetelmä Tavoite: kiihdyttää konjugaattigradienttimenetelmän suppenemista Esikäsittelyn (precondiotining) tavoitteena on pienentää yhtälöryhmän kerroinmatriisin ehtolukua. Olkoon M säännöllinen n n-matriisi. Muodostetaan yhtälöryhmä M 1 Ax = M 1 b. Matriisin M kriteerit: 1. M 1 helppo muodostaa; 2. M on mahdollisimman lähellä matriisia A. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 11 / 13

Eräitä valintoja Jacobin esikäsittely: M = D = diag(a); Symmetrinen ylirelaksaatio: Hajoitetaan matriisi A muotoon A = L+D + U, missä L on alakolmio-osa, U yläkolmio-osa ja D diagonaaliosa. Valitaan relaksaatioparametri ω [0, 2]: M = (D +ωl)d 1 (D +ωu). Kun ω = 0 saadaan Jacobin esikäsittely ja kun ω = 1 saadaan ns. Gauss-Seidelin esikäsittely. Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 12 / 13

Esikäsitelty konjugaattigradienttimenetelmä 1. Initialisointi: x 0 = 0, r 0 = b, hakusuunta: d 0 = z 0 = M 1 r 0 2. Kaikille k=0,...,n-1 3. If r k = 0, STOP, end α k x k+1 r k+1 = r k z k dk TAd k = x k +α k d k = r k α k Ad k z k+1 = M 1 r k+1 β k = r k+1 z k+1 r k z k d k+1 = z k+1 +β k d k Keijo Ruotsalainen Matematiikan jaos 13 / 13