stogo/global.cc

   1 /*
   2    Multi Dimensional Global Search.
   3
   4    Author: Steinn Gudmundsson
   5    Email: steinng@hotmail.com
   6
   7    This program is supplied without any warranty whatsoever.
   8
   9    NB The RNGs seed should be initialized using some timer
  10 */
  11
  12 #include <iostream>
  13
  14 #include <iterator>
  15 #include <algorithm>
  16 #include <stack>
  17
  18 #include "stogo_config.h"
  19 #include "global.h"
  20 #include "local.h"
  21 #include "nlopt-util.h"
  22
  23 // Timer stuff
  24 double   StartTime;
  25
  26 double MacEpsilon ;
  27 int FC=0, GC=0 ;
  28
  29 int stogo_verbose = 0; /* set to nonzero for verbose output */
  30
  31 Global::Global(RTBox D, Pobj o, Pgrad g, GlobalParams P): Domain(D) {
  32
  33   dim=Domain.GetDim();
  34   Objective=o;
  35   Gradient=g;
  36
  37   // Initialize parameters
  38   maxtime=P.maxtime;
  39   maxeval = P.maxeval;
  40   numeval = 0;
  41   eps_cl=P.eps_cl; mu=P.mu; rshift=P.rshift;
  42   det_pnts=P.det_pnts; rnd_pnts=P.rnd_pnts;
  43   fbound=DBL_MAX;
  44 }
  45
  46 #if 0 // not necessary; default copy is sufficient
  47 Global& Global::operator=(const Global &G) {
  48   // Copy the problem info and parameter settings
  49   Domain=G.Domain; Objective=G.Objective;  Gradient=G.Gradient;
  50   maxtime=G.maxtime;
  51   maxeval = G.maxeval;
  52   numeval = G.numeval;
  53   eps_cl=G.eps_cl; mu=G.mu; rshift=G.rshift;
  54   det_pnts=G.det_pnts; rnd_pnts=G.rnd_pnts;
  55   return *this;
  56 }
  57 #endif
  58
  59 void Global::FillRegular(RTBox SampleBox, RTBox box) {
  60   // Generation of regular sampling points
  61   double w;
  62   int i, flag, dir;
  63   Trial tmpTrial(dim);
  64   RVector m(dim), x(dim);
  65
  66   if (det_pnts>0) {
  67     // Add midpoint
  68     box.Midpoint(m) ;
  69     tmpTrial.xvals=m ; tmpTrial.objval=DBL_MAX ;
  70     SampleBox.AddTrial(tmpTrial) ;
  71     // Add the rest
  72     i=1 ; flag=1 ; dir=0 ;
  73     x=m ;
  74     while (i<det_pnts) {
  75       w=box.Width(dir) ;
  76       x(dir)=m(dir)+flag*rshift*w ;
  77       tmpTrial.xvals=x ;
  78       SampleBox.AddTrial(tmpTrial) ;
  79       flag=-flag;
  80       if (flag==1 && dir<dim) {
  81         x(dir)=m(dir) ;
  82         dir++ ;
  83       }
  84       i++ ;
  85     }
  86   }
  87 }
  88
  89 void Global::FillRandom(RTBox SampleBox, RTBox box) {
  90   // Generation of stochastic sampling points
  91   Trial tmpTrial(dim);
  92
  93   tmpTrial.objval=DBL_MAX;
  94   for (int i=1 ; i<=rnd_pnts ; i++) {
  95     for (int dir=0 ; dir<dim ; dir++)
  96       tmpTrial.xvals(dir) = nlopt_urand(box.lb(dir), box.ub(dir));
  97     SampleBox.AddTrial(tmpTrial) ;
  98   }
  99 }
 100
 101 double Global::NewtonTest(RTBox box, int axis, RCRVector x_av, int *noutside) {
 102   // Perform the Newton test
 103
 104   int info,nout=0;
 105   Trial tmpTrial(dim);
 106   TBox SampleBox(dim) ;
 107   double maxgrad=0 ;
 108
 109   // Create sampling points
 110   FillRegular(SampleBox, box);
 111   FillRandom(SampleBox, box);
 112
 113   // Perform the actual sampling
 114   while ( !SampleBox.EmptyBox() ) {
 115     SampleBox.RemoveTrial(tmpTrial) ;
 116     info = local(tmpTrial, box, Domain, eps_cl, &maxgrad, *this,
 117                  axis, x_av) ;
 118     // What should we do when info=LS_Unstable?
 119     if (info == LS_Out)
 120       nout++;
 121     if (info == LS_New ) {
 122       box.AddTrial(tmpTrial) ;
 123
 124       if (tmpTrial.objval<=fbound+mu && tmpTrial.objval<=box.fmin+mu) {
 125         if (stogo_verbose) {
 126           cout << "Found a candidate, x=" << tmpTrial.xvals;
 127           cout << " F=" <<tmpTrial.objval << " FC=" << FC << endl;
 128         }
 129         SolSet.push_back(tmpTrial);
 130       }
 131 #ifdef GS_DEBUG
 132       cout << "Found a stationary point, X= " << tmpTrial.xvals;
 133       cout <<" objval=" << tmpTrial.objval << endl;
 134 #endif
 135     }
 136
 137     if (!InTime())
 138       break;
 139   }
 140   *noutside=nout;
 141   return maxgrad;
 142 }
 143
 144 void Global::ReduceOrSubdivide(RTBox box, int axis, RCRVector x_av) {
 145   TBox B1(dim), B2(dim);
 146   Trial tmpTrial(dim);
 147   double maxgrad;
 148   int ns,nout;
 149
 150   // Monotonicity test has not been implemented yet
 151   maxgrad=NewtonTest(box, axis, x_av, &nout);
 152   ns=box.NStationary() ;
 153   if (ns==0) {
 154     // All iterates outside
 155     // NB result=Intersection(B,boundary(Domain))
 156     Garbage.push(box) ;
 157   }
 158   else
 159     if (ns==1 && nout==0) {
 160       // All iterates converge to same point
 161       Garbage.push(box) ;
 162     }
 163     else
 164       if ( (ns>1) && (box.LowerBound(maxgrad)>fbound) ) {
 165         // Several stationary points found and lower bound > fbound
 166         Garbage.push(box) ;
 167       }
 168       else {
 169         // Subdivision
 170         B1.ClearBox() ; B2.ClearBox() ;
 171         box.split(B1,B2) ;
 172         CandSet.push(B1) ; CandSet.push(B2) ;
 173       }
 174
 175   // Update fbound
 176   if (box.fmin < fbound) {
 177     fbound=box.fmin ;
 178 #ifdef GS_DEBUG
 179     cout <<"*** Improving fbound, fbound=" << fbound << endl;
 180 #endif
 181   }
 182 }
 183
 184 void Global::Search(int axis, RCRVector x_av){
 185   Trial tmpTrial(dim) ;
 186   TBox box(dim), B1(dim), B2(dim);
 187   RVector m(dim), x(dim);
 188   int inner_iter, outer_iter;
 189
 190   MacEpsilon=eps(); // Get machine precision
 191   if (det_pnts>2*dim+1) {
 192     det_pnts=2*dim+1;
 193     if (stogo_verbose)
 194       cout << "Warning: Reducing det_pnts to " << det_pnts << endl;
 195   }
 196
 197   // Initialize timer
 198   StartTime = nlopt_seconds();
 199
 200   // Clear priority_queues
 201   while (!Garbage.empty())
 202     Garbage.pop();
 203   while (!CandSet.empty())
 204     CandSet.pop();
 205
 206   box=Domain;
 207   CandSet.push(box);
 208   int done=0 ; outer_iter=0 ;
 209
 210   while (!done) {
 211     outer_iter++ ;
 212
 213     // Inner loop
 214     inner_iter=0 ;
 215     while (!CandSet.empty()) {
 216       inner_iter++ ;
 217       // Get best box from Candidate set
 218       box=CandSet.top() ; CandSet.pop() ;
 219
 220 #ifdef GS_DEBUG
 221       cout << "Iteration..." << inner_iter << " #CS=" << CandSet.size()+1 ;
 222       cout << " Processing " << box.NStationary() << " trials in the box " <<box;
 223 #endif
 224       ReduceOrSubdivide(box, axis, x_av);
 225
 226       if (!InTime()) {
 227         done=TRUE;
 228         if (stogo_verbose)
 229           cout << "The program has run out of time or function evaluations\n";
 230         break;
 231       }
 232
 233     } // inner while-loop
 234     if (stogo_verbose)
 235       cout << endl << "*** Inner loop completed ***" << endl ;
 236
 237     // Reduce SolSet if necessary
 238     SolSet.erase(remove_if(SolSet.begin(), SolSet.end(),
 239                            TrialGT(fbound+mu)),SolSet.end());
 240     if (InTime()) {
 241       if (stogo_verbose) {
 242         cout << "Current set of minimizers (" << SolSet.size() << ")" << endl ;
 243         DispMinimizers() ;
 244       }
 245
 246       while (!Garbage.empty()) {
 247         box=Garbage.top() ;
 248         Garbage.pop() ;
 249         // Split box
 250         B1.ClearBox() ; B2.ClearBox() ;
 251         box.split(B1,B2) ;
 252         // Add boxes to Candidate set
 253         CandSet.push(B1) ; CandSet.push(B2) ;
 254       }
 255     }
 256   } // Outer while-loop
 257
 258   if (stogo_verbose) {
 259     cout << "Number of outer iterations : " << outer_iter << endl;
 260     cout << "Number of unexplored boxes : " << CandSet.size() << endl;
 261     cout << "Number of boxes in garbage : " << Garbage.size() << endl;
 262     cout << "Number of elements in SolSet : " << SolSet.size() << endl;
 263     cout << "Number of function evaluations : " << FC << endl;
 264     cout << "Number of gradient evaluations : " << GC << endl;
 265   }
 266
 267   if (axis != -1) {
 268     // Return minimizer when doing the AV method
 269     tmpTrial=SolSet.back();
 270     x_av(axis)=tmpTrial.xvals(0);
 271   }
 272 }
 273
 274 /************* Various utility functions ****************/
 275 double Global::GetTime()
 276 {
 277   return nlopt_seconds() - StartTime;
 278 }
 279
 280 bool Global::InTime()
 281 {
 282  return (maxtime <= 0.0 || GetTime()<maxtime) && (!maxeval || numeval<maxeval);
 283 }
 284
 285 double Global::GetMinValue() {
 286   return fbound;
 287 }
 288
 289 void Global::SetMinValue(double new_fb) {
 290   fbound=new_fb;
 291 }
 292
 293 void Global::SetDomain(RTBox box) {
 294   Domain=box;
 295 }
 296
 297 void Global::GetDomain(RTBox box) {
 298   box=Domain;
 299 }
 300
 301 void Global::DispMinimizers() {
 302   copy(SolSet.begin(), SolSet.end(), ostream_iterator<Trial>(cout));
 303 }
 304
 305 double Global::OneMinimizer(RCRVector x) {
 306   if (NoMinimizers()) return 0.0;
 307   for (int i=0;i<x.GetLength();i++) x(i) = SolSet.front().xvals(i);
 308   return SolSet.front().objval;
 309 }
 310
 311 bool Global::NoMinimizers() {
 312   return SolSet.empty();
 313 }
 314
 315 void Global::ClearSolSet() {
 316   SolSet.erase(SolSet.begin(), SolSet.end()) ;
 317 }
 318
 319 void Global::AddPoint(RCRVector x, double f) {
 320   Trial T(dim);
 321   T.xvals=x; T.objval=f;
 322   Domain.AddTrial(T);
 323   SolSet.push_back(T);
 324 }