Градієнтні методи — чисельні методи рішення з допомогою градієнта задач, що зводяться до знаходження екстремумів функції.

Постановка задачі розв'язання системи рівнянь в термінах методів оптимізації Завдання рішення системи рівнянь:

(1)

з еквівалентна задачі мінімізації функції

(2)

або якій-небудь іншій зростаючій функції від абсолютних величин нев'язок (помилок) , . Завдання знаходження мінімуму (або максимуму) функції змінних і сама по собі має велике практичне значення.

Для вирішення цієї задачі ітераційними методами починають з довільних значень і будують послідовні наближення:

або покоординатно:

(3)

які зводяться до деякого рішенням при .

Різні методи відрізняються вибором «напрямку» для чергового кроку, тобто вибором відносин

.

Величина кроку (відстань, на яку треба піднятися в заданому напрямку в пошуках екстремуму) визначається значенням параметра , який мінімізує величину як функцію від . Цю функцію зазвичай апроксимують її розкладанням у ряд Тейлора або інтерполяційним многочленом з трьох-п'яти вибраних значень . Останній метод застосуємо для знаходження max і min таблично заданої функції

Градієнтні методи Основна ідея методів полягає в тому, щоб йти в напрямку найшвидшого спуску, а цей напрямок задається антиградієнтом :

де вибирається: сталою, в цьому випадку метод може розходитися; дробовим кроком, тобто довжина кроку в процесі спуску ділиться на деяке число; якнайскорішим спуском:

Метод найшвидшого спуску (метод градієнта) Вибирають , де всі похідні обчислюються при , і зменшують довжину кроку по мірі наближення до мінімуму функції .

Для аналітичних функцій і малих значень тейлорівський розклад дозволяє вибрати оптимальну величину кроку

(5)

де всі похідні обчислюються при . Параболічна інтерполяція функції може виявитися більш зручною.

Алгоритм Задаються початкове наближення і точність розрахунку  Розраховують , де Перевіряють умову зупинки: Якщо , то  і перехід до кроку 2. Інакше  і зупинка.

Метод покоординатного спуску Гауса — Зейделя Цей метод названий за аналогією з методом Гауса — Зейделя для розв'язання системи лінійних рівнянь. Покращує попередній метод за рахунок того, що на черговій ітерації спуск здійснюється поступово уздовж кожної з координат, однак тепер необхідно обчислювати нові раз за один крок.

Алгоритм Задаються початкове наближення і точність розрахунку  Розраховують, де Перевірють умову зупинки: Якщо , то і перехід до кроку 2. Інакше  і зупинка.

Метод спряжених градієнтів

Метод спряжених градієнтів ґрунтується на поняттях прямого методу багатовимірної оптимізації — методу спряжених напрямів.

Застосування методу до квадратичних функцій визначає мінімум за кроків.

Алгоритм Задаються початковим наближенням і похибкою: Розраховують початковий напрямок:

Якщо  або , то  і зупинка. Інакше якщо , то  і перехід до 3;  і перехід до 2.

Див. також Інтерполяційні формули Математичне програмування Метод градієнта Метод спряжених градієнтів Прямі методи Формула Тейлора Чисельні методи Чисельні методи розв'язання рівнянь Метод Нелдера — Міда

Література