大域的最適化

C言語によるサンプルソースコード : 使用関数名:nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc)

Keyword: 大域的最適化

概要

本サンプルは大域的最適化を行うC言語によるサンプルプログラムです。 本サンプルは以下に示される2次元におけるpeaks関数の大域的最小値を求めて出力します。

大域的最適化のデータ 

※本サンプルはnAG Cライブラリに含まれる関数 nag_glopt_bnd_mcs_solve() のExampleコードです。本サンプル及び関数の詳細情報は nag_glopt_bnd_mcs_solve のマニュアルページをご参照ください。
ご相談やお問い合わせはこちらまで

入力データ

(本関数の詳細はnag_glopt_bnd_mcs_solve のマニュアルページを参照)
1
2
3
4
5
6
7

このデータをダウンロード
nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc) Example Program Data
  3                                                     : sdlist
  Nag_Bounds                                            : bound
  -3.0   -3.0                                           : Lower bounds bl
  3.0   3.0                                             : Upper bounds bu
  Nag_SimpleBdry                                        : initmethod
  0                                                     : plot

  • 1行目はタイトル行で読み飛ばされます。
  • 2行目に変数の数(n)と初期化リストに従って分割が行われる座標の点の数の最大値(sdlist)を指定しています。
  • 3行目には境界値を処理するための機能が使用されるか(bound)を指定しています。"Nag_Bounds"は下限と上限をそれぞれ与えることを意味します。
  • 4行目には下限(bl)を指定しています。
  • 5行目には上限(bu)を指定しています。
  • 6行目にはどの初期化の手法が使用されるか(initmethod)を指定しています。"Nag_SimpleBdry"は簡易な初期化(境界法と中点法)を意味しています。
  • 7行目には現在の検索ボックス(領域)に情報を表示させるかどうか(plot)を指定しています。"0"の場合は検索ボックス(領域)には表示されません。

出力結果

(本関数の詳細はnag_glopt_bnd_mcs_solve のマニュアルページを参照)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

この出力例をダウンロード
nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc) Example Program Results
(User-supplied callback objfun, first invocation.)

(objfun was just called for the first time)
(User-supplied callback monit, first invocation.)

*** Begin monitoring information ***

Values controlling initial splitting of a box:
**
In dimension     1
Extent of initialization list in this dimension =    3
Initialization points in this dimension:
LIST(i, 1:numpts[i - 1]) = -3.00000  0.00000  3.00000
Initial point in this dimension: LIST(i,    2)
**
In dimension     2
Extent of initialization list in this dimension =    3
Initialization points in this dimension:
LIST(i, 1:numpts[i - 1]) = -3.00000  0.00000  3.00000
Initial point in this dimension: LIST(i,    2)
Total sub-boxes =   228
Total function evaluations (rounded to nearest 20) =   200
Total function evaluations used in local search (rounded
  to nearest 15) =    90
Total points used in local search =    13
Total sweeps through levels =    12
Total splits by init. list =     5
Lowest level with nonsplit boxes =     7
Number of candidate minima in the 'shopping basket' =     2
Shopping basket:
xbaskt(  1,:) = -1.34740  0.22828
xbaskt(  2,:) =  0.20452 -1.62553
Best point:
xbest =  0.22828 -1.62553

*** End monitoring information ***

Final objective value =    -6.55113
Global optimum x =   0.22828 -1.62553

  • 7~17行目に以下に示すモニタリング情報が出力されています。
    • サブボックス(下位領域)の数
    • 関数objfunの呼び出しの累積数
    • 局所検索での関数objfunの呼び出しの累積数
    • 局所検索の開始点として使用される座標点の数
    • 分割のレベルを通じたスイープ(sweep)の累積数
    • 初期化リストによる分割の累積数
    • 分割していないボックス(領域)を含む、最も低い分割のレベル
    • ショッピングバスケット(最小値の候補の格納場所)の最小値の候補の座標点の数
    • 最小値の候補が格納されているショッピングバスケットの内容
  • 21行目に最終的な関数値が出力されています。
  • 22行目に大域的最適解xの値が出力されています。

ソースコード

(本関数の詳細はnag_glopt_bnd_mcs_solve のマニュアルページを参照)

※本サンプルソースコードはnAG数値計算ライブラリ(Windows, Linux, MAC等に対応)の関数を呼び出します。
サンプルのコンパイル及び実行方法

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312

このソースコードをダウンロード
/* nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc) Example Program.
 *
 * CLL6I261D/CLL6I261DL Version.
 *
 * Copyright 2017 Numerical Algorithms Group.
 *
 * Mark 26.1, 2017.
 */
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <nag.h>
#include <nag_stdlib.h>
#include <nage05.h>

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif
  static void nAG_CALL objfun(Integer n, const double x[], double *f,
                              Integer nstate, Nag_Comm *comm,
                              Integer *inform);
  static void nAG_CALL monit(Integer n, Integer ncall, const double xbest[],
                             const Integer icount[], Integer sdlist,
                             const double list[], const Integer numpts[],
                             const Integer initpt[], Integer nbaskt,
                             const double xbaskt[], const double boxl[],
                             const double boxu[], Integer nstate,
                             Nag_Comm *comm, Integer *inform);
  static void nAG_CALL output_current_box(const double boxl[],
                                          const double boxu[]);
#ifdef __cplusplus
}
#endif

int main(void)
{
  /* Scalars */
  double obj;
  Integer exit_status = 0, i, n = 2, plot, sdlist;
  Nag_BoundType boundenum;
  Nag_MCSInitMethod initmethodenum;
  /* Arrays */
  static double ruser[2] = { -1.0, -1.0 };
  char bound[16], initmethod[18];
  double *bl = 0, *bu = 0, *list = 0, *x = 0;
  Integer *initpt = 0, *numpts = 0;
  Integer iuser[1];
  /* Nag Types */
  Nag_E05State state;
  NagError fail;
  Nag_Comm comm;

  INIT_FAIL(fail);

  printf("nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc) Example Program Results\n");

  /* For communication with user-supplied functions: */
  comm.iuser = iuser;
  comm.user = ruser;

  /* Skip heading in data file */
  scanf("%*[^\n] ");
  /* Read sdlist from data file */
  scanf("%ld%*[^\n] ", &sdlist);

  if (n <= 0 || sdlist <= 0)
    goto END;

  if (!(bl = nAG_ALLOC(n, double)) ||
      !(bu = nAG_ALLOC(n, double)) ||
      !(list = nAG_ALLOC(n * sdlist, double)) ||
      !(x = nAG_ALLOC(n, double)) ||
      !(initpt = nAG_ALLOC(n, Integer)) || !(numpts = nAG_ALLOC(n, Integer)))
  {
    printf("Allocation failure\n");
    exit_status = -1;
    goto END;
  }

  /* Read in bound (and bl and bu if necessary) */
  scanf("%15s%*[^\n] ", bound);

  /* nag_enum_name_to_value (x04nac).
   * Converts nAG enum member name to value
   */
  boundenum = (Nag_BoundType) nag_enum_name_to_value(bound);

  if (boundenum == Nag_Bounds)
    /* Read in the whole of each bound */
  {
    for (i = 0; i < n; ++i)
      scanf("%lf", &bl[i]);
    scanf("%*[^\n] ");

    for (i = 0; i < n; ++i)
      scanf("%lf", &bu[i]);
    scanf("%*[^\n] ");
  }
  else if (boundenum == Nag_BoundsEqual)
    /* Bounds are uniform: read in only the first entry of each */
  {
    scanf("%lf%*[^\n] ", &bl[0]);
    scanf("%lf%*[^\n] ", &bu[0]);
  }

  /* Read in initmethod */
  scanf("%17s%*[^\n] ", initmethod);

  /* nag_enum_name_to_value (x04nac).
   * Converts nAG enum member name to value
   */
  initmethodenum = (Nag_MCSInitMethod) nag_enum_name_to_value(initmethod);

  /* Read in plot. Its value determines whether monit displays
   * information on the current search box
   */
  scanf("%ld%*[^\n] ", &plot);

  /* Communicate plot through to monit */
  iuser[0] = plot;

  /* Call nag_glopt_bnd_mcs_init (e05jac) to initialize
   * nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc). */
  /* Its first argument is a legacy argument and has no significance. */
  nag_glopt_bnd_mcs_init(0, &state, &fail);

  if (fail.code != NE_NOERROR) {
    printf("Initialization of nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc) failed.\n%s\n",
           fail.message);
    exit_status = 1;
    goto END;
  }

  /* Solve the problem. */
  /* nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc).
   * Global optimization by multilevel coordinate search, simple bounds.
   */
  nag_glopt_bnd_mcs_solve(n, objfun, boundenum, initmethodenum, bl, bu,
                          sdlist, list, numpts, initpt, monit, x, &obj,
                          &state, &comm, &fail);

  if (fail.code != NE_NOERROR) {
    printf("Error message from nag_glopt_bnd_mcs_solve (e05jbc).\n%s\n",
           fail.message);
    exit_status = 1;
    goto END;
  }

  printf("Final objective value = %11.5f\n", obj);
  printf("Global optimum x = ");
  for (i = 0; i < n; ++i)
    printf("%9.5f", x[i]);
  printf("\n");

END:
  nAG_FREE(bl);
  nAG_FREE(bu);
  nAG_FREE(list);
  nAG_FREE(x);
  nAG_FREE(initpt);
  nAG_FREE(numpts);

  return exit_status;
}

static void nAG_CALL objfun(Integer n, const double x[], double *f,
                            Integer nstate, Nag_Comm *comm, Integer *inform)
{
  /* Routine to evaluate objective function */

  if (comm->user[0] == -1.0) {
    printf("(User-supplied callback objfun, first invocation.)\n");
    comm->user[0] = 0.0;
  }

  /* This is a two-dimensional objective function.
   * As an example of using the inform mechanism,
   * terminate if any other problem size is supplied.
   */
  if (n != 2) {
    *inform = -1;
    return;
  }

  *inform = 0;

  if (*inform >= 0)
    /* Here we're prepared to evaluate objfun at the current x */
  {
    if (nstate == 1)
      /* This is the first call to objfun */
    {
      printf("\n(objfun was just called for the first time)\n");
    }

    *f = (3.0 * pow((1.0 - x[0]), 2) * exp(-pow(x[0], 2) - pow((x[1] + 1), 2))
          - (10.0 * (x[0] / 5.0 - pow(x[0], 3) - pow(x[1], 5)) *
             exp(-pow(x[0], 2) - pow(x[1], 2)))
          - 1.0 / 3.0 * exp(-pow((x[0] + 1.0), 2) - pow(x[1], 2))
           );
  }
}

static void nAG_CALL monit(Integer n, Integer ncall, const double xbest[],
                           const Integer icount[], Integer sdlist,
                           const double list[], const Integer numpts[],
                           const Integer initpt[], Integer nbaskt,
                           const double xbaskt[], const double boxl[],
                           const double boxu[], Integer nstate,
                           Nag_Comm *comm, Integer *inform)
{
  /* Scalars */
  Integer i, j;
  Integer plot;

#define LIST(I, J) list[(I-1)*sdlist + (J-1)]
#define XBASKT(I, J) xbaskt[(I-1)*nbaskt + (J-1)]

  if (comm->user[1] == -1.0) {
    printf("(User-supplied callback monit, first invocation.)\n");
    comm->user[1] = 0.0;
  }

  *inform = 0;

  if (*inform >= 0)
    /* We are going to allow the iterations to continue */
  {
    /* Extract plot from the communication structure */
    plot = comm->iuser[0];

    if (nstate == 0 || nstate == 1)
      /* When nstate == 1, monit is called for the first time.
       * When nstate == 0, monit is called for the first AND last time.
       * Display a welcome message */
    {
      printf("\n*** Begin monitoring information ***\n\n");

      printf("Values controlling initial splitting of a box:\n");
      for (i = 1; i <= n; ++i) {
        printf("**\n");
        printf("In dimension %5ld\n", i);
        printf("Extent of initialization list in this dimension ="
               "%5ld\n", numpts[i - 1]);
        printf("Initialization points in this dimension:\n");
        printf("LIST(i, 1:numpts[i - 1]) =");
        for (j = 1; j <= numpts[i - 1]; ++j)
          printf("%9.5f", LIST(i, j));
        printf("\n");
        printf("Initial point in this dimension: LIST(i,%5ld)\n",
               initpt[i - 1]);
      }

      if (plot != 0 && n == 2)
        printf("<Begin displaying search boxes>\n\n");
    }

    if (plot != 0 && n == 2) {
      /* Display the coordinates of the edges of the current search box */
      output_current_box(boxl, boxu);
    }

    if (nstate <= 0)
      /* monit is called for the last time */
    {
      if (plot != 0 && n == 2)
        printf("<End displaying search boxes>\n\n");
      printf("Total sub-boxes = %5ld\n", icount[0]);
      printf("Total function evaluations (rounded to nearest 20) = "
             "%5ld\n", 20*((ncall+10)/20));
      printf("Total function evaluations used in local search (rounded\n"
             "  to nearest 15) = %5ld\n", 15*((icount[1]+7)/15));
      printf("Total points used in local search = %5ld\n",
             icount[2]);
      printf("Total sweeps through levels = %5ld\n", icount[3]);
      printf("Total splits by init. list = %5ld\n", icount[4]);
      printf("Lowest level with nonsplit boxes = %5ld\n",
             icount[5]);
      printf("Number of candidate minima in the 'shopping basket'"
             " = %5ld\n", nbaskt);
      printf("Shopping basket:\n");

      for (i = 1; i <= n; ++i) {
        printf("xbaskt(%3ld,:) =", i);
        for (j = 1; j <= nbaskt; ++j)
          printf("%9.5f", XBASKT(i, j));
        printf("\n");
      }

      printf("Best point:\n");
      printf("xbest =");
      for (i = 0; i < n; ++i)
        printf("%9.5f", xbest[i]);
      printf("\n");

      printf("\n*** End monitoring information ***\n\n");
    }
  }
}

static void nAG_CALL output_current_box(const double boxl[],
                                        const double boxu[])
{
  printf("%20.15f %20.15f\n", boxl[0], boxl[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n\n", boxl[0], boxu[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n", boxl[0], boxl[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n\n", boxu[0], boxl[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n", boxl[0], boxu[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n\n", boxu[0], boxu[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n", boxu[0], boxl[1]);
  printf("%20.15f %20.15f\n\n", boxu[0], boxu[1]);
}


関連情報
© 日本ニューメリカルアルゴリズムズグループ株式会社 2025
Privacy Policy  /  Trademarks