㈠ 幾種常用最優化方法
學習和工作中遇到的大多問題都可以建模成一種最優化模型進行求解，比如我們現在學習的機器學習演算法，大部分的機器學習演算法的本質都是建立優化模型，通過最優化方法對目標函數（或損失函數）進行優化，從而訓練出最好的模型。常見的優化方法(optimization)有梯度下降法、牛頓法和擬牛頓法、共軛梯度法等等。
1. 梯度下降法（Gradient Descent）
梯度下降法是最早最簡單，也是最為常用的最優化方法。梯度下降法實現簡單，當目標函數是凸函數時，梯度下降法的解是全局解。一般情況下，其解不保證是全局最優解，梯度下降法的速度也未必是最快的。 梯度下降法的優化思想是用當前位置負梯度方向作為搜索方向，因為該方向為當前位置的最快下降方向，所以也被稱為是」最速下降法「。最速下降法越接近目標值，步長越小，前進越慢。
梯度下降 法的缺點：
（1）靠近極小值時收斂速度減慢;
（2）直線搜索時可能會產生一些問題；
（3）可能會「之字形」地下降。
在機器學習中，基於基本的梯度下降法發展了兩種梯度下降方法，分別為隨機梯度下降法和批量梯度下降法。
比如對一個線性回歸（Linear Logistics）模型，假設下面的h(x)是要擬合的函數，J( )為損失函數， 是參數，要迭代求解的值，求解出來了那最終要擬合的函數h( )就出來了。其中m是訓練集的樣本個數，n是特徵的個數。
1）批量梯度下降法（Batch Gradient Descent，BGD）
（1）將J( )對 求偏導，得到每個theta對應的的梯度：
(2）由於是要最小化風險函數，所以按每個參數 的梯度負方向，來更新每個 ：
（3）從上面公式可以注意到，它得到的是一個全局最優解，但是每迭代一步，都要用到訓練集所有的數據，如果m很大，那麼可想而知這種方法的迭代速度會相當的慢。所以，這就引入了另外一種方法——隨機梯度下降。
對於批量梯度下降法，樣本個數m，x為n維向量，一次迭代需要把m個樣本全部帶入計算，迭代一次計算量為m*n2。
2）隨機梯度下降（Stochastic Gradient Descent，SGD）
（1）上面的風險函數可以寫成如下這種形式，損失函數對應的是訓練集中每個樣本的粒度，而上面批量梯度下降對應的是所有的訓練樣本：
（2）每個樣本的損失函數，對 求偏導得到對應梯度，來更新 ：
（3）隨機梯度下降是通過每個樣本來迭代更新一次，如果樣本量很大的情況（例如幾十萬），那麼可能只用其中幾萬條或者幾千條的樣本，就已經將
迭代到最優解了，對比上面的批量梯度下降，迭代一次需要用到十幾萬訓練樣本，一次迭代不可能最優，如果迭代10次的話就需要遍歷訓練樣本10次。但是，SGD伴隨的一個問題是噪音較BGD要多，使得SGD並不是每次迭代都向著整體最優化方向。
隨機梯度下降每次迭代只使用一個樣本，迭代一次計算量為n2，當樣本個數m很大的時候，隨機梯度下降迭代一次的速度要遠高於批量梯度下降方法。 兩者的關系可以這樣理解：隨機梯度下降方法以損失很小的一部分精確度和增加一定數量的迭代次數為代價，換取了總體的優化效率的提升。增加的迭代次數遠遠小於樣本的數量。
對批量梯度下降法和隨機梯度下降法的總結：
批量梯度下降---最小化所有訓練樣本的損失函數，使得最終求解的是全局的最優解，即求解的參數是使得風險函數最小，但是對於大規模樣本問題效率低下。
隨機梯度下降---最小化每條樣本的損失函數，雖然不是每次迭代得到的損失函數都向著全局最優方向， 但是大的整體的方向是向全局最優解的，最終的結果往往是在全局最優解附近，適用於大規模訓練樣本情況。
2. 牛頓法和擬牛頓法（Newton's method & Quasi-Newton Methods）
1）牛頓法（Newton's method）
牛頓法是一種在實數域和復數域上近似求解方程的方法。方法使用函數 f ( x )的泰勒級數的前面幾項來尋找方程 f ( x ) = 0的根。牛頓法最大的特點就在於它的收斂速度很快。
具體步驟：
首先，選擇一個接近函數 f ( x )零點的x0，計算相應的 f ( x 0)和切線斜率 f ' ( x 0)（這里 f ' 表示函數 f 的導數）。然後我們計算穿過點( x 0, f ( x 0))並且斜率為 f '( x 0)的直線和 x 軸的交點的 x 坐標，也就是求如下方程的解：
我們將新求得的點的 x 坐標命名為 x 1，通常 x 1會比 x 0更接近方程 f ( x ) = 0的解。因此我們現在可以利用 x 1開始下一輪迭代。迭代公式可化簡為如下所示：
已經證明，如果 f '是連續的，並且待求的零點 x 是孤立的，那麼在零點 x 周圍存在一個區域，只要初始值 x 0位於這個鄰近區域內，那麼牛頓法必定收斂。 並且，如果 f ' ( x )不為0, 那麼牛頓法將具有平方收斂的性能. 粗略的說，這意味著每迭代一次，牛頓法結果的有效數字將增加一倍。下圖為一個牛頓法執行過程的例子。
由於牛頓法是基於當前位置的切線來確定下一次的位置，所以牛頓法又被很形象地稱為是"切線法"。
關於牛頓法和梯度下降法的效率對比：
從本質上去看，牛頓法是二階收斂，梯度下降是一階收斂，所以牛頓法就更快。如果更通俗地說的話，比如你想找一條最短的路徑走到一個盆地的最底部，梯度下降法每次只從你當前所處位置選一個坡度最大的方向走一步，牛頓法在選擇方向時，不僅會考慮坡度是否夠大，還會考慮你走了一步之後，坡度是否會變得更大。所以，可以說牛頓法比梯度下降法看得更遠一點，能更快地走到最底部。（牛頓法目光更加長遠，所以少走彎路；相對而言，梯度下降法只考慮了局部的最優，沒有全局思想。）
根據wiki上的解釋，從幾何上說，牛頓法就是用一個二次曲面去擬合你當前所處位置的局部曲面，而梯度下降法是用一個平面去擬合當前的局部曲面，通常情況下，二次曲面的擬合會比平面更好，所以牛頓法選擇的下降路徑會更符合真實的最優下降路徑。
註：紅色的牛頓法的迭代路徑，綠色的是梯度下降法的迭代路徑。
牛頓法的優缺點總結：
優點：二階收斂，收斂速度快；
缺點：牛頓法是一種迭代演算法，每一步都需要求解目標函數的Hessian矩陣的逆矩陣，計算比較復雜。
2）擬牛頓法（Quasi-Newton Methods）
擬牛頓法是求解非線性優化問題最有效的方法之一，於20世紀50年代由美國Argonne國家實驗室的物理學家W.C.Davidon所提出來。Davidon設計的這種演算法在當時看來是非線性優化領域最具創造性的發明之一。不久R. Fletcher和M. J. D. Powell證實了這種新的演算法遠比其他方法快速和可靠，使得非線性優化這門學科在一夜之間突飛猛進。
擬牛頓法的本質思想是改善牛頓法每次需要求解復雜的Hessian矩陣的逆矩陣的缺陷，它使用正定矩陣來近似Hessian矩陣的逆，從而簡化了運算的復雜度。 擬牛頓法和最速下降法一樣只要求每一步迭代時知道目標函數的梯度。通過測量梯度的變化，構造一個目標函數的模型使之足以產生超線性收斂性。這類方法大大優於最速下降法，尤其對於困難的問題。另外，因為擬牛頓法不需要二階導數的信息，所以有時比牛頓法更為有效。如今，優化軟體中包含了大量的擬牛頓演算法用來解決無約束，約束，和大規模的優化問題。
具體步驟：
擬牛頓法的基本思想如下。首先構造目標函數在當前迭代xk的二次模型：
這里Bk是一個對稱正定矩陣，於是我們取這個二次模型的最優解作為搜索方向，並且得到新的迭代點：
其中我們要求步長ak 滿足Wolfe條件。這樣的迭代與牛頓法類似，區別就在於用近似的Hesse矩陣Bk 代替真實的Hesse矩陣。所以擬牛頓法最關鍵的地方就是每一步迭代中矩陣Bk的更新。現在假設得到一個新的迭代xk+1，並得到一個新的二次模型：
我們盡可能地利用上一步的信息來選取Bk。具體地，我們要求
從而得到
這個公式被稱為割線方程。常用的擬牛頓法有DFP演算法和BFGS演算法。
原文鏈接： [Math] 常見的幾種最優化方法 - Poll的筆記 - 博客園
㈡ matlab最優化演算法有哪些
matlab最優化程序包括
無約束一維極值問題 進退法 黃金分割法 斐波那契法 牛頓法基本牛頓法 全局牛頓法 割線法 拋物線法 三次插值法 可接受搜索法 Goidstein法 Wolfe.Powell法
單純形搜索法 Powell法 最速下降法 共軛梯度法 牛頓法 修正牛頓法 擬牛頓法 信賴域法 顯式最速下降法， Rosen梯度投影法 罰函數法 外點罰函數法
內點罰函數法 混合罰函數法 乘子法 G－N法 修正G－N法 L－M法 線性規劃 單純形法 修正單純形法 大M法 變數有界單純形法 整數規劃 割平面法 分支定界法 0-1規劃 二次規劃
拉格朗曰法 起作用集演算法 路徑跟蹤法 粒子群優化演算法 基本粒子群演算法 帶壓縮因子的粒子群演算法 權重改進的粒子群演算法 線性遞減權重法 自適應權重法 隨機權重法
變學習因子的粒子群演算法 同步變化的學習因子 非同步變化的學習因子 二階粒子群演算法 二階振盪粒子群演算法
㈢ 大數據最常用的演算法有哪些
奧地利符號計算研究所(Research Institute for Symbolic Computation，簡稱RISC)的Christoph Koutschan博士在自己的頁面上發布了一篇文章，提到他做了一個調查，參與者大多數是計算機科學家，他請這些科學家投票選出最重要的演算法，以下是這次調查的結果，按照英文名稱字母順序排序。
大數據等最核心的關鍵技術：32個演算法
1、A* 搜索演算法——圖形搜索演算法，從給定起點到給定終點計算出路徑。其中使用了一種啟發式的估算，為每個節點估算通過該節點的最佳路徑，並以之為各個地點排定次序。演算法以得到的次序訪問這些節點。因此，A*搜索演算法是最佳優先搜索的範例。
2、集束搜索(又名定向搜索，Beam Search)——最佳優先搜索演算法的優化。使用啟發式函數評估它檢查的每個節點的能力。不過，集束搜索只能在每個深度中發現最前面的m個最符合條件的節點，m是固定數字——集束的寬度。
3、二分查找(Binary Search)——在線性數組中找特定值的演算法，每個步驟去掉一半不符合要求的數據。
4、分支界定演算法(Branch and Bound)——在多種最優化問題中尋找特定最優化解決方案的演算法，特別是針對離散、組合的最優化。
5、Buchberger演算法——一種數學演算法，可將其視為針對單變數最大公約數求解的歐幾里得演算法和線性系統中高斯消元法的泛化。
6、數據壓縮——採取特定編碼方案，使用更少的位元組數(或是其他信息承載單元)對信息編碼的過程，又叫來源編碼。
7、Diffie-Hellman密鑰交換演算法——一種加密協議，允許雙方在事先不了解對方的情況下，在不安全的通信信道中，共同建立共享密鑰。該密鑰以後可與一個對稱密碼一起，加密後續通訊。
8、Dijkstra演算法——針對沒有負值權重邊的有向圖，計算其中的單一起點最短演算法。
9、離散微分演算法(Discrete differentiation)。
10、動態規劃演算法(Dynamic Programming)——展示互相覆蓋的子問題和最優子架構演算法
11、歐幾里得演算法(Euclidean algorithm)——計算兩個整數的最大公約數。最古老的演算法之一，出現在公元前300前歐幾里得的《幾何原本》。
12、期望-最大演算法(Expectation-maximization algorithm，又名EM-Training)——在統計計算中，期望-最大演算法在概率模型中尋找可能性最大的參數估算值，其中模型依賴於未發現的潛在變數。EM在兩個步驟中交替計算，第一步是計算期望，利用對隱藏變數的現有估計值，計算其最大可能估計值;第二步是最大化，最大化在第一步上求得的最大可能值來計算參數的值。
13、快速傅里葉變換(Fast Fourier transform，FFT)——計算離散的傅里葉變換(DFT)及其反轉。該演算法應用范圍很廣，從數字信號處理到解決偏微分方程，到快速計算大整數乘積。
14、梯度下降(Gradient descent)——一種數學上的最優化演算法。
15、哈希演算法(Hashing)。
16、堆排序(Heaps)。
17、Karatsuba乘法——需要完成上千位整數的乘法的系統中使用，比如計算機代數系統和大數程序庫，如果使用長乘法，速度太慢。該演算法發現於1962年。
18、LLL演算法(Lenstra-Lenstra-Lovasz lattice rection)——以格規約(lattice)基數為輸入，輸出短正交向量基數。LLL演算法在以下公共密鑰加密方法中有大量使用：背包加密系統(knapsack)、有特定設置的RSA加密等等。
19、最大流量演算法(Maximum flow)——該演算法試圖從一個流量網路中找到最大的流。它優勢被定義為找到這樣一個流的值。最大流問題可以看作更復雜的網路流問題的特定情況。最大流與網路中的界面有關，這就是最大流-最小截定理(Max-flow min-cut theorem)。Ford-Fulkerson 能找到一個流網路中的最大流。
20、合並排序(Merge Sort)。
21、牛頓法(Newton』s method)——求非線性方程(組)零點的一種重要的迭代法。
22、Q-learning學習演算法——這是一種通過學習動作值函數(action-value function)完成的強化學習演算法，函數採取在給定狀態的給定動作，並計算出期望的效用價值，在此後遵循固定的策略。Q-leanring的優勢是，在不需要環境模型的情況下，可以對比可採納行動的期望效用。
23、兩次篩法(Quadratic Sieve)——現代整數因子分解演算法，在實踐中，是目前已知第二快的此類演算法(僅次於數域篩法Number Field Sieve)。對於110位以下的十位整數，它仍是最快的，而且都認為它比數域篩法更簡單。
24、RANSAC——是「RANdom SAmple Consensus」的縮寫。該演算法根據一系列觀察得到的數據，數據中包含異常值，估算一個數學模型的參數值。其基本假設是：數據包含非異化值，也就是能夠通過某些模型參數解釋的值，異化值就是那些不符合模型的數據點。
25、RSA——公鑰加密演算法。首個適用於以簽名作為加密的演算法。RSA在電商行業中仍大規模使用，大家也相信它有足夠安全長度的公鑰。
26、Sch?nhage-Strassen演算法——在數學中，Sch?nhage-Strassen演算法是用來完成大整數的乘法的快速漸近演算法。其演算法復雜度為：O(N log(N) log(log(N)))，該演算法使用了傅里葉變換。
27、單純型演算法(Simplex Algorithm)——在數學的優化理論中，單純型演算法是常用的技術，用來找到線性規劃問題的數值解。線性規劃問題包括在一組實變數上的一系列線性不等式組，以及一個等待最大化(或最小化)的固定線性函數。
28、奇異值分解(Singular value decomposition，簡稱SVD)——在線性代數中，SVD是重要的實數或復數矩陣的分解方法，在信號處理和統計中有多種應用，比如計算矩陣的偽逆矩陣(以求解最小二乘法問題)、解決超定線性系統(overdetermined linear systems)、矩陣逼近、數值天氣預報等等。
29、求解線性方程組(Solving a system of linear equations)——線性方程組是數學中最古老的問題，它們有很多應用，比如在數字信號處理、線性規劃中的估算和預測、數值分析中的非線性問題逼近等等。求解線性方程組，可以使用高斯—約當消去法(Gauss-Jordan elimination)，或是柯列斯基分解( Cholesky decomposition)。
30、Strukturtensor演算法——應用於模式識別領域，為所有像素找出一種計算方法，看看該像素是否處於同質區域( homogenous region)，看看它是否屬於邊緣，還是是一個頂點。
31、合並查找演算法(Union-find)——給定一組元素，該演算法常常用來把這些元素分為多個分離的、彼此不重合的組。不相交集(disjoint-set)的數據結構可以跟蹤這樣的切分方法。合並查找演算法可以在此種數據結構上完成兩個有用的操作：
查找：判斷某特定元素屬於哪個組。
合並：聯合或合並兩個組為一個組。
32、維特比演算法(Viterbi algorithm)——尋找隱藏狀態最有可能序列的動態規劃演算法，這種序列被稱為維特比路徑，其結果是一系列可以觀察到的事件，特別是在隱藏的Markov模型中。
以上就是Christoph博士對於最重要的演算法的調查結果。你們熟悉哪些演算法?又有哪些演算法是你們經常使用的?
㈣ 非線性最優化的不同演算法各適用於什麼情況
1 無約束非線性最優化問題常用演算法：
梯度法（最速下降法）、共軛梯度法、變尺度法和步長加速法。其中，前三個要用到函數的一階導數或二階導數，適用於函數表達式導數存在且求導簡單的情況，而步長加速法則相反，適用於函數表達示復雜，甚至無解析表達式，或導數不存在情況。
2 約束非線性最優化問題常用演算法：
按照是否化成無約束問題可分為 可行方向法、制約函數法（外點法和內點法），其中內點法適用於目標函數在可行域外性質復雜情況，外點法則相反。後者根據罰函數或障礙函數的構造不同，又有不同的變形。