**阻尼最小二乘法**,也称为Levenberg-Marquardt算法,是一种用于非线性最小二乘问题的优化方法。它结合了梯度下降法和高斯-牛顿法的优点,既能快速收敛,又能避免陷入局部极小值。在机器学习、数据分析和工程计算等领域中,这种算法被广泛应用。
Levenberg-Marquardt算法的核心思想是通过调整一个参数λ(也称作阻尼因子或Lambda)来控制迭代过程。在迭代初期,λ取较小值,算法更接近高斯-牛顿法,利用梯度信息进行大步长的更新,加速收敛。随着迭代的进行,当接近最优解时,λ逐渐增大,使得算法趋向于梯度下降法,从而避免过度跳跃导致错过全局最小值。
算法的迭代过程可以用以下步骤概括:
1. **初始化**:设定初始参数估计值、阻尼因子λ、最大迭代次数n_iters以及是否更新雅克比矩阵的标志updateJ。
2. **计算雅克比矩阵**:根据当前参数估计值,计算非线性模型的雅克比矩阵J,它表示目标函数关于参数的导数矩阵。
3. **计算误差**:评估当前参数下的模型与观测数据的残差,计算误差平方和e。
4. **迭代更新**:对于每个迭代步骤,计算海森矩阵H(雅克比矩阵J的转置与J的乘积),然后根据阻尼因子λ和误差e,调整参数更新策略。
- 如果是首次迭代,计算梯度g(J的转置与残差的乘积)。
- 根据λ和误差e,计算新的参数估计值,更新雅克比矩阵和误差。
5. **检查收敛条件**:比较前后两次迭代的误差变化,如果满足停止条件(如误差减小到一定程度或达到最大迭代次数),则算法结束,否则返回步骤4继续迭代。
在给出的MATLAB程序中,作者使用了一个简化的例子来展示Levenberg-Marquardt算法的实现。例子基于《数学试验》中的问题,通过拟合数据来确定模型参数。程序首先定义了数据和初始参数,然后进入迭代循环。在每次迭代中,程序计算雅克比矩阵、误差和海森矩阵,并根据λ调整参数更新。程序输出迭代过程中误差的变化,以监控算法的收敛情况。
为了进一步理解和应用这个算法,建议阅读K. Madsen等人的《Methods for non-linear least squares problems》作为学习资源。这个文档提供了详细的理论解释和实例,对于理解Levenberg-Marquardt算法的原理和实践非常有帮助。同时,提供的MATLAB源代码为实际编程实现提供了清晰的示例,可以帮助读者快速掌握算法的运用。对于C++实现,作者表示会在整理后公开,这将为其他编程环境的应用提供便利。