Optymalizacja globalna w SciPy

Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Jasmin Ludolf

Content Developer

Optymalizacja globalna

  • Produkcja jest naprzemiennie droga i tania
    • $\rightarrow$ $\Pi(q)$ ma dwa wyraźne maksima w $5$ i $18$. Minimum w $10$.

Wykres popytu, kosztów, przychodów i zysku względem ilości. Zysk – niebieska linia ciągła, dwumodalna, przechodząca przez 0 dla wartości 0 i 25, dwa maksima w 5 i 18 oraz lokalne minimum w 10

Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Utknięcie w lokalnym optimum

from scipy.optimize import minimize_scalar, minimize


def profit(q): return -q**4 / 4 + 11 * q**3 - 160 * q**2 + 900 * q
result_min_scalar = minimize_scalar(lambda q: -profit(q))
print(f"{result_min_scalar.message}") print(f"The maximum according to minimize_scalar is {-result_min_scalar.fun:.2f} \ and achieved at {result_min_scalar.x:.2f}\n")
Optimization terminated successfully;
The returned value satisfies the termination criteria
(using xtol = 1.48e-08 )
The maximum according to minimize_scalar is 1718.75 and achieved at 5.00
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Utknięcie w lokalnym optimum

x0 = 9
result = minimize(lambda q: -profit(q), x0, bounds=[(0, 20)])
print(f"{result.message}")
print(f"The maximum according to minimize(x0={x0}) is {-result.fun:.2f} at {result.x[0]:.2f}\n")
CONVERGENCE: REL_REDUCTION_OF_F_<=_FACTR*EPSMCH
The maximum according to minimize(x0=9) is 1718.75 at 5.00
x0 = 10 + 1e-8
result = minimize(lambda q: -profit(q), x0)
print(f"{result.message}")
print(f"The maximum according to minimize(x0={x0}) is {-result.fun:.2f} at {result.x[0]:.2f}\n")
Optimization terminated successfully.
The maximum according to minimize(x0=10.00000001) is 1500.00 at 10.00
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Wyjście z lokalnego optimum z basinhopping

from scipy.optimize import basinhopping


x0 = 0 result = basinhopping(lambda q: -profit(q), x0, niter=10000)
print(f"{result.message}") print(f"The maximum according to basinhopping(x0={x0}, niter=10000) \ is {-result.fun:.2f} at {result.x[0]:.2f}\n")
['requested number of basinhopping iterations completed successfully']
The maximum according to basinhopping(x0=0, niter=10000) is 2268.00 at 18.00
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

basinhopping z kwargs i ograniczeniami

from scipy.optimize import basinhopping, NonlinearConstraint

x0 = 0
kwargs = {"constraints": NonlinearConstraint(lambda x: x, lb=0, ub=30)}


result = basinhopping(lambda q: -profit(q), x0, minimizer_kwargs=kwargs) print(f"{result.message}") print(f"The maximum according to basinhopping(x0={x0}) is at {result.x[0]:.2f}\n")
['requested number of basinhopping iterations completed successfully']
The maximum according to basinhopping(x0=0) is at 18.00
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

basinhopping z funkcją callback

from scipy.optimize import basinhopping, LinearConstraint

x0 = 0
kwargs = {"constraints": LinearConstraint([1], lb=0, ub=30)} 


maxima = [] def callback(x, f, accept): if accept: maxima.append(*x)
result = basinhopping(lambda q: -profit(q), x0, callback=callback, minimizer_kwargs=kwargs, niter=5)
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

basinhopping – wynik callback

print(f"{result.message}")
print(f"The maximum according to basinhopping(x0={x0}) is at {result.x[0]:.2f}\n")
print(f"(Local) maxima found by basinhopping are: {[round(x, 2) for x in maxima]}")

$$ $$

['requested number of basinhopping iterations completed successfully']
The maximum according to basinhopping(x0=0) is at 18.00 
(Local) maxima found by basinhopping are: [5.0, 5.0, 5.0, 5.0, 5.0, 18.0]

 

  • Użyj argumentu seed, aby odtworzyć wyniki
Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Czas na ćwiczenia!

Wprowadzenie do optymalizacji w Pythonie

Preparing Video For Download...