Розуміння вартості суміжного методу для обмеженої оптимізацією pde


11

Я намагаюся зрозуміти, як працює метод сумісної оптимізації для оптимізації з обмеженою PDE. Зокрема, я намагаюся зрозуміти, чому суміжний метод є більш ефективним для проблем, де кількість змінних конструкцій велика, але "кількість рівнянь невелика".

Що я розумію:

Розглянемо таку проблему оптимізації з обмеженою PDE:

хвβ Я(β,у(β))с.т.R(у(β))=0

де Я - (достатньо безперервна) об'єктивна функція змінних векторного дизайну β та вектор польових змінних невідомих у(β) які залежать від проектних змінних, а R(у) - залишкова форма PDE.

Зрозуміло, що ми можемо першими варіаціями I і R як

δЯ=∂Я∂βδβ+∂Я∂уδу

δR=∂R∂βδβ+∂R∂уδу=0

Вводячи вектор множників лагранжу λ , варіацію цільової функції можна записати як

δЯ=∂Я∂βδβ+∂Я∂уδу+λТ[∂R∂βδβ+∂R∂уδу]

Переставляючи умови, ми можемо написати:

δЯ=[∂Я∂β+λТ∂R∂β]δβ+[∂Я∂у+λТ∂R∂у]δу

Таким чином, якщо ми можемо вирішити для таке, що∂ Iλ

∂Я∂у+λТ∂R∂у=0 (суміжне рівняння)

Тоді градієнт оцінюється лише з точки зору змінних конструкцій .βδЯ=[∂Я∂β+λТ∂R∂β]δββ

Таким чином, алгоритм оптимізації на основі суміжних даних перетвориться на наступні кроки:

  1. Дані поточні змінні дизайнуβ
  2. Розв’яжіть для змінних поля (від PDE)у
  3. Розв’яжіть для множників Лагранжа (з суміжного рівняння)λ
  4. Обчисли градієнти∂Я∂β
  5. Оновити змінні дизайнуβ

Моє запитання

Як цей суміжний «трюк» покращує вартість оптимізації за ітерацію у випадку, коли кількість змінних конструкції велика? Я чув, що вартість оцінки градієнта для суміжного методу "не залежить" від кількості змінних конструкцій. Але як саме це правда?

Я впевнений, що є щось дуже очевидне, що я якось оглядаю.


3
До речі, множник Лагранжа зазвичай додається до об'єктивного функціоналу, а не до варіації; таким чином . Якщо встановити похідну відносно до нуля, вийде суміжне рівняння, і вставляючи це (а рішення рівняння стану ) у похідну відносно дає градієнт. Якщо ви почнете зі слабкої формулювання PDE, все стане ще простішим: просто вставте множник Lagrange замість тестової функції. Ніякої потреби в сильній формі або частковій інтеграції ніде. u u R ( u , β ) = 0 βхву,βмаксλЯ(у,β)+λТR(у,β)ууR(у,β)=0β
— Крістіан Класон

1
Найдорожчою частиною будь-якого моделювання є фаза вирішення. Використовуючи суміжний, ви отримуєте градієнт у двох рішеннях, набагато дешевших порівняно з кінцевими різницями, де вам потрібно принаймні n + 1, а n - кількість вільних параметрів у вашій моделі.
— stali

Відповіді:


10

Як цей суміжний «трюк» покращує вартість оптимізації за ітерацію у випадку, коли кількість змінних конструкції велика?

Я думаю про вартість з точки зору лінійної алгебри. (Дивіться ці замітки Стівена Дж. Джонсона , які я вважаю більш інтуїтивними, ніж підхід множника Лагранжа). Підхід вперед спрямований на вирішення питань чутливості безпосередньо:

∂у∂β=-(∂R∂у)-1∂R∂β

що включає розв’язання лінійної системи для кожного параметра у векторі , а потім оцінкуβ

гЯгβ=∂Я∂β+∂Я∂у∂у∂β,

де позначає загальну похідну, а означає часткову похідну. ∂г∂

Суміжний підхід зазначає це

гЯгβ=∂Я∂β-∂Я∂у(∂R∂у)-1∂R∂β,

тому суміжна змінна (множник Лагранжа) може бути визначена черезλ

-∂Я∂у(∂R∂у)-1=λТ,

що відповідає суміжному рівнянню

∂Я∂у+λТ∂R∂у=0.

Таке перегрупування термінів вимагає лише одного лінійного рішення, а не лінійного рішення для кожного параметра, що робить суміжну оцінку дешевою для багатьох випадків параметрів.

Я чув, що вартість оцінки градієнта для суміжного методу "не залежить" від кількості змінних конструкцій. Але як саме це правда?

Це не зовсім незалежно; імовірно, вартість оцінювання та збільшуватиметься із кількістю параметрів. Однак лінійні розв'язки все одно будуть однакового розміру, доки розмір не зміниться. Припущення полягає в тому, що розв'язки набагато дорожчі, ніж оцінки функцій.( ∂ R / ∂ β ) u(∂Я/∂β)(∂R/∂β)у


8

Коротше кажучи, перевага полягає в тому, що для обчислення похідних зменшеної мети вам не потрібно знати похідну стосовно як окремий об'єкт, але лише ту його частину, яка призводить до варіацій .u ( β ) β I ( β , u ( β ) )Я(β,у(β))у(β)βЯ(β,у(β))

Дозвольте мені перейти до позначень, які мені трохи зручніше: ( є проектна змінна, - змінна стану, а - об'єктивна). Скажімо, досить приємно, щоб застосувати теорему неявної функції, тому рівняння має унікальне рішення яке постійно диференціюється щодо та похідної задається рішенням ( і є частковими похідними) .u y J e ( y , u ) e ( y , u ) = 0 y ( u ) u y ′ ( u ) e y ( y ( u ) , u ) y ′ ( u ) + e u ( y ( u ) , u )

хву,уJ(у,у)на темуе(у,у)=0
ууJе(у,у)е(у,у)=0у(у)уу'(у) eyeu
(1)еу(у(у),у)у'(у)+еу(у(у),у)=0
еуеу

Це означає, що ви можете визначити зменшену ціль , яка також диференціюється (якщо є). Один із способів характеризувати градієнт - це через похідні спрямованості (наприклад, обчислити всі часткові похідні стосовно основи проектного простору). Тут похідна спрямованість у напрямку задається правилом ланцюга як Якщо хороший, єдине складне для обчислення - для заданої . Це можна зробити, помноживши наJ ( у , у ) ∇ J ( U ) ч J ' ( у ; ч ) = ⟨ J у ( у ( у ) , у ) , у ' ( у ) ч ⟩ + ⟨ J у ( у (j(у): =J(у(у),у)J(у,у)∇j(у)годJy′(u)hh(1)hy′(u)h [ y ′ ( u ) h ] = e y ( y ( u ) , u ) - 1 [ e u ( y ( u ) , u ) год ]

(2)j'(у;год)=⟨Jу(у(у),у),у'(у)год⟩+⟨Jу(у(у),у),год⟩.
Jу'(у)годгод(1)годправоруч і рішення для (що дозволяє теорема неявної функції), тобто обчислення та підключення цього виразу до . У обмеженій PDE оптимізації це означає вирішення лінеаризованого PDE для кожного базового вектора проектного простору.у'(у)год
(3)[у'(у)год]=еу(у(у),у)-1[еу(у(у),у)год]
год(2) год

Однак якщо ми знайдемо оператора таким, що то це повинен бути бажаний градієнт. Дивлячись на , ми можемо записати (якщо є суміжним оператором), тому все, що нам потрібно для обчислення, є . Використовуючи це , це можна зробити за допомогою , тобто і встановлення У обмеженій PDE оптимізації∇j

j'(у;год)=⟨∇j,год⟩за всіх год,
(1)
⟨Jу(у(у),у),у'(у)год⟩=⟨у'(у)∗Jу(у(у),у),год⟩
у'(у)∗у'(у)∗jу(у(у),у)(АБ)∗=Б∗А∗(3)
λ: =еу(у(у),у)-∗Jу(у(у),у)
∇j(у)=еу(у(у),у)∗λ+Jу(у(у),у).
Jу(у(у),у)зазвичай є деяким залишковим, і обчислення включає вирішення єдиного (лінійного) суміжного PDE, незалежного від розмірності проектного простору. (Насправді, це працює навіть для розподілених параметрів, тобто, якщо - функція в деякому нескінченномірному просторі Банаха, де перший підхід неможливий.)λу
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.