SciPy 在约束函数中使用附加变量进行优化

Question

我大多是 Python 和 Whosebug 的新手，所以请指出我是否正在做任何事情 wrong/need 以包含更多详细信息 e.t.c。我的问题围绕着最小化函数 en_sum，它取决于变量数组 en。此优化必须受到约束 nlc：取决于变量 en 以及另一组变量 x2 的矩阵的最小特征值必须为正。

我想做的基本上是提供一些 en 和 x2 的猜测值，根据 nlc 优化 en_sum 并让它产生优化结果en 和 x2 值。

我写的最小代码如下：

import numpy as np
from scipy import optimize as spo
from scipy.optimize import NonlinearConstraint


def en_min(varia):
    #en_min is a function that (aims to) return the optimised values of en and x2.
    m = 2
    n = 2
    s = 2
    en = varia[0:m]
    x2 = varia[m:len(varia)]

    # use_mat(a,b) defines the matrix which depends on en and x2 variables.
    def use_mat(a, b):
        mat = np.empty([m * s, n * s])
        for i in range(0, m * s):
            for j in range(0, m * s):
                mat[i, j] = (b[j] * a[i - s]) ** 2 + a[j - s] ** 2 + (b[j] + b[i]) ** 2
        return mat

    # Defining the optimisation function.
    def en_sum(q):
        return sum(q[iii] ** 2 for iii in range(len(q)))

    # This function provides the minimal eigenvalue of a given matrix.
    def min_eigenvalue(a):
        y = np.linalg.eigvals(a)
        return np.amin(y)

    # My attempt at setting the constraint (which is that the eigenvalues of the matrix
    # defined through use_mat(a,b) are non-negative) is nlc
    nlc = NonlinearConstraint(min_eigenvalue(use_mat(en, x2)), 0, np.inf)

    # The guess values in opt_res2 are just for the en variables, as en_sum must
    # only be a function of those (not x2). However, I do not know how to properly give guess 
    # values to x2 in the constraint, so I am quite sure this is implemented incorrectly.
    opt_res2 = spo.minimize(en_sum(en), np.array([1, 4]), constraints=nlc)
    return opt_res2


print(en_min([1, 3, 1.5, 0, 0, 4]))

当然，这行不通（我收到错误 TypeError: 'numpy.complex128' object is not callable 等），我想知道是否有人对我可能出错的地方有任何提示，以及在这种情况下问题是否更容易处理？我的主要困惑来自不知道如何正确处理约束以及如何为 x2 提供猜测值（这与约束字典中的 args 相关吗？）。非常感谢任何想法，谢谢。

Answer 1

有趣的问题。 IMO，最佳做法是将 objective 函数和所有约束编写为一个（矢量）优化变量 z 的函数。在您的函数中，您可以简单地设置 z = (en, x2) 并将变量 z 拆分回 en 和 x2。因此，您的 objective 函数可以写成如下形式：

def en_sum(z):
    en, x2 = z[:m], z[m:]
    return np.sum(en**2)

另请注意，en_sum(en) 和 min_eigenvalues(use_mat(en, x2)) 不是函数，因此不可调用。此外，最小特征值必须为正（use_mat 正定返回的矩阵）的约束等同于所有特征值均为正。这部分有点混乱，因为找到一个可行的起点来满足这个约束并不是一件容易的事。然而，我们可以通过只考虑复杂特征值的实部来作弊。因此，即使当前点不可行，约束也会得到满足。在这里，我们基本上希望它在前几次迭代中仍然收敛到可行域（所有特征值都是实数和正数）。

在代码中：

import numpy as np
from scipy.optimize import minimize, NonlinearConstraint


def en_min(varia):
    #en_min is a function that (aims to) return the optimised values of en and x2.
    m = 2
    n = 2
    s = 2
    en = varia[0:m]
    x2 = varia[m:len(varia)]

    # use_mat(a,b) defines the matrix which depends on en and x2 variables.
    def use_mat(z):
        a, b = z[:m], z[m:]
        mat = np.empty([m * s, n * s])
        for i in range(0, m * s):
            for j in range(0, m * s):
                mat[i, j] = (b[j]*a[i-s])** 2 + a[j-s]**2 + (b[j]+b[i])**2
        return mat

    # Defining the optimisation function.
    def en_sum(z):
        en, x2 = z[:m], z[m:]
        return np.sum(en**2)

    # This function provides the minimal eigenvalue of a given matrix.
    def min_eigenvalue(a):
        return np.real(np.linalg.eigvals(a))

    # constraint
    nlc = NonlinearConstraint(lambda z: min_eigenvalue(use_mat(z)), 1e-12, np.inf)

    # Bounds on the variables
    bounds = [(None, None)]*en.size + [(0, None)]*x2.size

    # initial guess
    x0 = np.hstack((en, 0.1*np.ones(x2.size)))

    opt_res2 = minimize(en_sum, x0=x0, bounds=bounds, constraints=nlc)
    return opt_res2

print(en_min(np.array([1, 3, 1.5, 0, 0, 4])))

或者，由于矩阵 A 是正定的当且仅当存在矩阵 V 使得 A = V'V，因此可以解决辅助问题以找到可行的初始猜测。

还值得一提的是，由于雅可比行列式（=我们的约束函数的导数）的逼近，上面的代码并不是很有效，并且对于大型优化问题会很慢：目前，each 雅可比行列式的计算需要 N*N 次计算 min_eigenvalue，其中 N 是变量的总数。因此，我们计算 N*N 次每次迭代的特征值。总而言之，对于更大的问题，绝对值得提供精确的雅可比矩阵或使用算法微分

SciPy 在约束函数中使用附加变量进行优化

SciPy optimize with additional variables in constraint function

python

optimization

scipy

constraints

nonlinear-optimization