拟牛顿法是一种以牛顿法为基础设计的,求解非线性方程组或连续的最优化问题函数的零点或极大、极小值的算法。当牛顿法中所要求计算的雅可比矩阵或Hessian矩阵难以甚至无法计算时,拟牛顿法便可派上用场。
与牛顿法相同, 拟牛顿法是用一个二次函数以近似目标函数. 的二阶泰勒展开是
其中, 表示的梯度, 表示Hessian矩阵的近似. 梯度可进一步近似为下列形式
令上式等于, 计算出Newton步长,
然后构造的近似满足
上式称作割线方程组. 但当是定义在多维空间上的函数时, 从该式计算将成为一个不定问题 (未知数个数比方程式个数多). 此时, 构造, 根据Newton步长更新当前解的处理需要回归到求解割线方程. 几乎不同的拟牛顿法就有不同的选择割线方程的方法. 而大多数的方法都假定具有对称性 (即满足). 另外, 下表所示的方法可用于求解; 在此, 于某些范数与尽量接近. 即对于某些正定矩阵, 以以下方式更新:
近似Hessian矩阵一般以单位矩阵等作为初期值[1]. 最优化问题的解由根据近似所得的计算出的Newton步长更新得出.
以下为该算法的总结:
- 计算新一个迭代点下的梯度
- 令
- 利用, 直接近似Hessian矩阵的逆矩阵. 近似的方法如下表:
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Method
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DFP法
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BFGS法
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Broyden法
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Broyden族
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SR1法
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拟牛顿法是现在普遍使用的一种最优化算法, 存在多种编程语言的实现方法。
Robert Mansel Gower; Peter Richtarik. Randomized Quasi-Newton Updates are Linearly Convergent Matrix Inversion Algorithms. 2015. arXiv:1602.01768 [math.NA].