 主題3. 最佳化演算(Optimization) 求極值 前面的主題是解滿足一階導函數的根,因此,我們必須先微分求出導函數。但是,最簡單的方法是直接對目標函數求解:同時解出目標極值和臨界值。 Python完成這件事有sympy和scipy,筆者覺得sympy需要宣告的參數太多,尤其是在帶限制式時。所以我們使用模組scipy內的函數optimize()和minimize(),Python程式碼的步驟解說如下。
5.3-1 單變數
我們先看本章範例1的簡單方程式,如下: 第1步:定義函數 from scipy import optimize def f(x, sign=-1): return sign*(2*x**3+3*x**2-12*x-7)
兩行就OK,相當簡易。待會我們再解釋sign的意義。接下來執行求極值:
第2步:求解與結果 Result1 = optimize. minimize_scalar(f) Result1.x Result1.fun f(Result1.x)
optimize. minimize_scalar()是求解函數。Result1內有許多物件,主要有三個: (1) Result1.x: 解出的x值。 (2) Result1.fun: 解出的極小值,可以和f(Result1.x)對照是否一樣。 (3) Result1.success: 回傳求解是否成功(True/False)。 我們看看列印在螢幕的結果,如下: Result1.x Out[2]: 1.0
Result1.fun Out[3]: -14.0
f(Result1.x) Out[4]: -14.0
我們回去看範例1的圖形,可能的臨界值有兩個,從圖形看的出來,我們解出的只是極小值(1, -14)。那另一極大值的解呢?根據scipy說明文件,須把函數取負值 ,這也是我們為什麼寫函數時,要增加一個參數 sign,因為這樣比較方便,判斷極大值時,可以如下這樣處理: 第1步:定義函數 def f(x, sign = -1): return sign*(2*x**3+3*x**2-12*x-7)
第2步:求解與結果 Result2 = optimize.minimize_scalar(f)
螢幕的結果如下(需注意極值須加負號) Result2.x Out[5]: -1.999999999777818
-Result2.fun Out[6]: 13.0
-f(Result2.x) Out[7]: 13.0
範例5 函數f(x)=x4-x3相對極小值 第1步:定義函數 def f(x,sign=1): return sign*(x**4-x**3)
第2步:求解與結果 Result3 = optimize.minimize_scalar(f)
螢幕的結果如下 Result3.x Out[9]: 0.7500000000447832
Result3.fun Out[10]: -0.10546875
f(Result3.x) Out[11]: -0.10546875
5.3-2 多變數 再來就是不帶限制條件的多變數函數,本範圍範例的函數 相對極小值,則:
第1步:定義函數 import numpy as np from scipy.optimize import minimize def f(x, sign=1): x1 = x[0] x2 = x[1] return sign*(x1**3-4*x1*x2 +2*x2**2) 第2步:求解與結果 x0=[1,1] Result4 = minimize(f, x0)
雙變數以上的數值求解演算比較複雜,我們使用的函數是minimize(),如果用上面的optimize.minimize_scalar()執行會失敗。x0=[1,1]是起始值(initial values)。
螢幕的結果如下: Result4.x Out[13]: array([1.33333404, 1.3333353 ])
Result4.fun Out[14]: -1.185185185181036
f(Result4.x) Out[15]: -1.185185185181036
因為是數值結果,書上手解的臨界值是4/3,電腦則算出1.3333。相對極小值則是 -1.185。
此題還有一解,(0,0)是鞍點,如果設定x0=[0,0],就會帶出0的極值。因為鞍點判斷的程式做法需要賦予更多的條件,不是本書涵蓋,也不是商學院微積分主題,我們大致知道目前學習的狀況即可。如果想挑戰Python 程式,把目前所學過的方法串起來,可以循以下步驟: 步驟 1. 使用diff()函數解一階偏微分,求取可能的臨界值 步驟 2. 求二階偏微分 步驟 3. 參考主題一的二元一次方程式求解判斷的準則(Delta),定義第三章的�捶荍P斷誰是鞍點,誰無解。 最後. 把可能的臨界值設為起始值,求解。
這樣的四步驟其實是一個程式訓練的典型基礎,有程式興趣的同學可以用在本範圍範例當作練習,為了避免微積分學習花太多時間講這個,我們就到此為止。
練習 1. 任選本範圍範例題,以書本解出的臨界值附近任取數字當作起始值,寫程式求解極值,並和書本比對。
5.3-3 多變數帶限制式
最後就是帶限制條件的極值,我們以第15堂課範例1來說明 Min. s.t. 第1步:定義目標函數 import numpy as np from scipy.optimize import minimize def f(x, sign=1): x1 = x[0] x2 = x[1] return sign*(x1+ 2*x2)
第2步:定義限制條件 def constraint1(x, sign=1): return sign*(x[0]*x[1]- 5000)
第3步:設定求解參數 x0=[10,10] # 起始值, b1 = (0, np.inf) # 參數條件xɬ,上界給予正無限大,np.inf就是�V b2 = (0, np.inf) # 參數條件yɬ,上界給予正無限大,np.inf就是�V bnds= (b1,b2) # 邊界條件向量 con1 = {'type': 'ineq', 'fun': constraint1} #把限制集定義成字典 cons = [con1] #把con1做成串列 (萬一有多個條件時,可以包在一起)
第4步:求解與結果 Result5 = minimize(f, x0,bounds=bnds,constraints=cons) 螢幕的結果如下
Result5.x Out[17]: array([100.00691556, 49.99654246])
Result5.fun Out[18]: 200.0000004780455
f(Result5.x) Out[19]: 200.0000004780455
可對照數值的結果和第15堂課代數的結果。
接下來我們看「三變數,兩條限制式」,如第15堂課範例3。這個範例足以做很多的推廣 Min. s.t. 第1步:定義目標函數 import numpy as np from scipy.optimize import minimize def f(x, sign=1): x1 = x[0] x2 = x[1] x3 = x[2] return sign*(x1**2+ x2**2+x3**2)
第2步:定義限制條件 def constraint1(x, sign=1): return sign*(x[0]+x[1]-3) def constraint2(x, sign=1): return sign*(x[0]+x[2]- 5)
第3步:設定求解參數(參數沒有bounds,故不需定義如前提的b1,b2) x0=[1,1,1] con1 = {'type': 'ineq', 'fun': constraint1} con2 = {'type': 'ineq', 'fun': constraint2} cons = [con1, con2]
第4步:求解與結果 Result6 = minimize(f,x0,constraints=cons)
螢幕的結果如下 Result6 = minimize(f,x0,constraints=cons)
Result6.x Out[21]: array([2.6666667, 0.3333333, 2.3333333])
Result6.fun Out[22]: 12.666666666666735
f(Result6.x) Out[23]: 12.666666666666735
可以確認數值結果和第15堂課的分式,是一樣的。這樣本範圍所有的問題,我們都可以處理了。
練習 1. 修改上面程式,求解本範圍範例和習題,和答案確認結果。
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