Понимание стоимости сопряженного метода для pde-ограничения оптимизации


11

Я пытаюсь понять, как метод оптимизации на основе сопряжения работает для ограниченной оптимизации PDE. В частности, я пытаюсь понять, почему сопряженный метод более эффективен для задач, в которых число проектных переменных велико, но «число уравнений мало».

Что я понимаю:

Рассмотрим следующую проблему ограниченной оптимизации PDE:

minβ I(β,u(β))s.t.R(u(β))=0

где I - (достаточно непрерывная) целевая функция переменных векторного дизайна β и вектора переменных поля неизвестных u(β) которые зависят от переменных дизайна, и R(u) - остаточная форма PDE.

Ясно, что мы можем первые вариации I и R как

δI=∂I∂βδβ+∂I∂uδu

δR=∂R∂βδβ+∂R∂uδu=0

Вводя вектор множителей Лагранжа λ , изменение целевой функции можно записать в виде

δI=∂I∂βδβ+∂I∂uδu+λT[∂R∂βδβ+∂R∂uδu]

Переставляя термины, мы можем написать:

δI=[∂I∂β+λT∂R∂β]δβ+[∂I∂u+λT∂R∂u]δu

Таким образом, если мы можем решить для такое, что∂ Iλ

∂I∂u+λT∂R∂u=0 (adjoint equation)

Тогда градиент оценивается только с точки зрения проектных переменныхβδI=[∂I∂β+λT∂R∂β]δββ .

Таким образом, алгоритм оптимизации, основанный на сопряженных элементах, будет проходить по следующим этапам:

  1. Учитывая текущие переменные дизайнаβ
  2. Решите для переменных поля (из PDE)u
  3. Решить для множителей Лагранжа (из присоединенного уравнения)λ
  4. Вычислить градиенты∂I∂β
  5. Обновление проектных переменныхβ

Мой вопрос

Как этот сопутствующий «трюк» улучшает стоимость оптимизации за итерацию в случае, когда число проектных переменных велико? Я слышал, что стоимость оценки градиента для присоединенного метода не зависит от числа проектных переменных. Но как именно это правда?

Я уверен, что есть что-то очень очевидное, что я как-то упускаю из виду.


3
Кстати, множитель Лагранжа обычно добавляется к целевому функционалу, а не к вариации; таким образом . Установка производной по на ноль дает присоединенное уравнение, а вставка этого (и решение уравнения состояния ) в производную по дает градиент. Если вы начнете со слабой формулировки PDE, все станет еще проще: просто вставьте множитель Лагранжа вместо тестовой функции. Нет необходимости в сильной форме или частичной интеграции в любом месте. u u R ( u , β ) = 0minu,βmaxλI(u,β)+λTR(u,β)uuR(u,β)=0β
— Кристиан Клэйсон

1
Самая дорогая часть любой симуляции - фаза решения. Используя сопряженное, вы получаете градиент в двух решениях, намного дешевле по сравнению с конечными разностями, где вам нужно по крайней мере n + 1 решений, где n - число свободных параметров в вашей модели.
— Стали

Ответы:


10

Как этот сопутствующий «трюк» улучшает стоимость оптимизации за итерацию в случае, когда число проектных переменных велико?

Я думаю о стоимости с точки зрения линейной алгебры. (См. Эти заметки Стивена Дж. Джонсона , которые я считаю более интуитивными, чем метод множителей Лагранжа). Прямой подход сводится к решению для чувствительности напрямую:

∂u∂β=−(∂R∂u)−1∂R∂β

который включает в себя решение линейной системы для каждого параметра в векторе , а затем оценкуβ

dIdβ=∂I∂β+∂I∂u∂u∂β,

где обозначает полную производную, а обозначает частную производную. ∂d∂

Сопутствующий подход отмечает, что

dIdβ=∂I∂β−∂I∂u(∂R∂u)−1∂R∂β,

поэтому присоединенная переменная (множитель Лагранжа) может быть определена какλ

−∂I∂u(∂R∂u)−1=λT,

что соответствует присоединенному уравнению

∂I∂u+λT∂R∂u=0.

Эта перегруппировка терминов требует только одного линейного решения вместо линейного решения для каждого параметра, что делает дешевую сопряженную оценку для случая многих параметров.

Я слышал, что стоимость оценки градиента для присоединенного метода не зависит от числа проектных переменных. Но как именно это правда?

Это не совсем независимо; по-видимому, стоимость оценки и будет увеличиваться с увеличением количества параметров. Линейные решения, тем не менее, будут иметь тот же размер, пока размер не изменится. Предполагается, что решения намного дороже, чем оценки функций.( ∂ R / ∂ β )(∂I/∂β)(∂R/∂β)u


8

В двух словах, преимущество заключается в том, что для вычисления производных сокращенной цели вам не обязательно знать производную от отношению к как отдельный объект, но только та его часть, которая приводит к изменениям в .I(β,u(β))u(β)βI(β,u(β))

Позвольте мне перейти к нотации , я немного более комфортно с: ( является переменная дизайна, - переменная состояния, а - цель). Допустим, достаточно хорош для применения теоремы о неявной функции, поэтому уравнение имеет единственное решение которое непрерывно дифференцируемо по , и производную задается решением ( и - частные производные) ,u y J e ( y , u ) e ( y , u

miny,uJ(y,u)subject toe(y,u)=0
uyJe(y,u)e(y,u)=0y(u)uy′(u)
(1)ey(y(u),u)y′(u)+eu(y(u),u)=0
eyeu

Это означает, что вы можете определить приведенную цель , которая также дифференцируема (если есть). Один из способов охарактеризовать градиент - через производные по направлениям (например, вычислить все частные производные по базису пространства проектирования). Здесь производная по направлению в направлении задается правилом цепочки как Если хорош, единственное, что трудно вычислить, это для заданного . Это можно сделать, умножив наj(u):=J(y(u),u)J(y,u)∇j(u)h

(2)j′(u;h)=⟨Jy(y(u),u),y′(u)h⟩+⟨Ju(y(u),u),h⟩.
Jy′(u)hh(1)hсправа и решение для (что позволяет теорема о неявной функции), т. е. вычисление и вставляем это выражение в . При оптимизации с ограничением по PDE это сводится к решению линеаризованного PDE для каждого базисного вектора проектного пространства.y′(u)h
(3)[y′(u)h]=ey(y(u),u)−1[eu(y(u),u)h]
(2) h

Однако, если мы найдем такой оператор , что то это должен быть требуемый градиент. Глядя на , мы можем написать (с являющимся присоединенным оператором), поэтому все, что нам нужно для вычисления, это . Используя это , это можно сделать, используя , то есть вычисление и установка В PDE-ограниченной оптимизации∇j( 1 ) ⟨ J у ( у ( у ) , у ) , у ' ( у ) ( В ) * = В * * ( 3 )

j′(u;h)=⟨∇j,h⟩for all h,
(1)
⟨Jy(y(u),u),y′(u)h⟩=⟨y′(u)∗Jy(y(u),u),h⟩
y′(u)∗y′(u)∗jy(y(u),u)(AB)∗=B∗A∗(3)
λ:=ey(y(u),u)−∗Jy(y(u),u)
J y
∇j(u)=eu(y(u),u)∗λ+Ju(y(u),u).
λ uJy(y(u),u)обычно является своего рода невязкой, и вычисление включает в себя решение одного (линейного) сопряженного PDE, независимого от измерения пространства проектирования. (На самом деле, это работает даже для распределенных параметров, т. Е. Если - функция в некотором бесконечномерном банаховом пространстве, где первый подход невозможен.)λu
Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.