test/testfuncs.c

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <math.h>
   3
   4 #include "testfuncs.h"
   5 #include "config.h"
   6
   7 #define UNUSED(x) (void) x
   8
   9 static double sqr(double x) { return x * x; }
  10
  11 int testfuncs_verbose = 0;
  12 int testfuncs_counter = 0;
  13
  14 static double testfuncs_status(int n, const double *x, double f)
  15 {
  16      ++testfuncs_counter;
  17      if (testfuncs_verbose) {
  18           int i;
  19           printf("f_%d (%g", testfuncs_counter, x[0]);
  20           for (i = 1; i < n; ++i) printf(", %g", x[i]);
  21           printf(") = %g\n", f);
  22      }
  23      return f;
  24 }
  25
  26 #define RETURN(f) return testfuncs_status(n, x, f);
  27
  28 #define PI2 6.283185307179586 /* 2*pi */
  29 #define PI3 9.424777960769379 /* 3*pi */
  30 #define PI4 12.5663706143592 /* 4*pi */
  31
  32 /****************************************************************************/
  33 static double rosenbrock_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
  34 {
  35      double a = x[1] - x[0] * x[0], b = 1 - x[0];
  36      UNUSED(data);
  37      if (grad) {
  38           grad[0] = -400 * a * x[0] - 2*b;
  39           grad[1] = -200 * a;
  40      }
  41      RETURN(100 * sqr(a) + sqr(b));
  42 }
  43
  44 static const double rosenbrock_lb[2] = {-2, -2};
  45 static const double rosenbrock_ub[2] = {2, 2};
  46 static const double rosenbrock_xmin[2] = {1, 1};
  47
  48 /****************************************************************************/
  49 static double mccormic_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
  50 {
  51      double a = x[0] + x[1], b = x[0] - x[1];
  52      UNUSED(data);
  53      if (grad) {
  54           grad[0] = cos(a) + 2*b - 1.5;
  55           grad[1] = cos(a) - 2*b + 2.5;
  56      }
  57      RETURN(sin(a) + sqr(b) - 1.5*x[0] + 2.5*x[1] + 1);
  58 }
  59
  60 static const double mccormic_lb[2] = {-1.5, -3};
  61 static const double mccormic_ub[2] = {4, 4};
  62 static const double mccormic_xmin[2] = {-0.54719, 1.54719};
  63
  64 /****************************************************************************/
  65 static double boxbetts_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
  66 {
  67      int i;
  68      double f = 0;
  69      UNUSED(data);
  70      if (grad)
  71           grad[0] = grad[1] = grad[2] = 0;
  72      for (i = 1; i <= 10; ++i) {
  73           double e0 = exp(-0.1*i*x[0]);
  74           double e1 = exp(-0.1*i*x[1]);
  75           double e2 = exp(-0.1*i) - exp((double) -i);
  76           double g = e0 - e1 - e2 * x[2];
  77           f += sqr(g);
  78           if (grad) {
  79                grad[0] += (2 * g) * (-0.1*i*e0);
  80                grad[1] += (2 * g) * (0.1*i*e1);
  81                grad[2] += -(2 * g) * e2;
  82           }
  83      }
  84      RETURN(f);
  85 }
  86
  87 static const double boxbetts_lb[3] = {0.9,9,0.9};
  88 static const double boxbetts_ub[3] = {1.2,11.2,1.2};
  89 static const double boxbetts_xmin[3] = {1,10,1};
  90
  91 /****************************************************************************/
  92 static double paviani_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
  93 {
  94      int i;
  95      double f = 0, prod = 1;
  96      UNUSED(data);
  97      if (grad) for (i = 0; i < 10; ++i) grad[i] = 0;
  98      for (i = 0; i < 10; ++i) {
  99           double ln1 = log(x[i] - 2);
 100           double ln2 = log(10 - x[i]);
 101           f += sqr(ln1) + sqr(ln2);
 102           if (grad)
 103                grad[i] += 2 * ln1 / (x[i] - 2) - 2 * ln2 / (10 - x[i]);
 104           prod *= x[i];
 105      }
 106      f -= (prod = pow(prod, 0.2));
 107      if (grad)
 108           for (i = 0; i < 10; ++i)
 109                grad[i] -= 0.2 * prod / x[i];
 110      RETURN(f);
 111 }
 112
 113 static const double paviani_lb[10] = {2.001,2.001,2.001,2.001,2.001,2.001,2.001,2.001,2.001,2.001};
 114 static const double paviani_ub[10] = {9.999,9.999,9.999,9.999,9.999,9.999,9.999,9.999,9.999,9.999};
 115 static const double paviani_xmin[10] = {9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266,9.350266};
 116
 117 /****************************************************************************/
 118 static double grosenbrock_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 119 {
 120      int i;
 121      double f = 0;
 122      UNUSED(data);
 123      if (grad) grad[0] = 0;
 124      for (i = 0; i < 29; ++i) {
 125           double a = x[i+1] - x[i] * x[i], b = 1 - x[i];
 126           if (grad) {
 127                grad[i] += -400 * a * x[i] - 2*b;
 128                grad[i+1] = -200 * a;
 129           }
 130           f += 100 * sqr(a) + sqr(b);
 131      }
 132      RETURN(f);
 133 }
 134
 135 static const double grosenbrock_lb[30] = {-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30,-30};
 136 static const double grosenbrock_ub[30] = {30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30,30};
 137 static const double grosenbrock_xmin[30] = {1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1};
 138
 139 /****************************************************************************/
 140 static double goldsteinprice_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 141 {
 142      double x0, x1, a1, a12, a2, b1, b12, b2;
 143      UNUSED(data);
 144      x0 = x[0]; x1 = x[1];
 145      a1 = x0+x1+1; a12 = sqr(a1);
 146      a2 = 19 - 14*x0 + 3*x0*x0 - 14*x1 + 6*x0*x1 + 3*x1*x1;
 147      b1 = 2*x0-3*x1; b12 = sqr(b1);
 148      b2 = 18 - 32*x0 + 12*x0*x0 + 48*x1 - 36*x0*x1 + 27*x1*x1;
 149      if (grad) {
 150           grad[0] = (1 + a12 * a2) * (2 * b1 * 2 * b2
 151                                       + b12 * (-32 + 24*x0 - 36*x1))
 152                + (2 * a1 * a2 + a12 * (-14 + 6*x0 + 6*x1)) * (30 + b12 * b2);
 153           grad[1] = (1 + a12 * a2) * (2 * b1 * (-3) * b2
 154                                       + b12 * (48 - 36*x0 + 54 * x1))
 155                + (2 * a1 * a2 + a12 * (-14 + 6*x0 + 6*x1)) * (30 + b12 * b2);
 156      }
 157      RETURN((1 + a12 * a2) * (30 + b12 * b2));
 158 }
 159
 160 static const double goldsteinprice_lb[2] = {-2, -2};
 161 static const double goldsteinprice_ub[2] = {2, 2};
 162 static const double goldsteinprice_xmin[2] = {0, -1};
 163
 164 /****************************************************************************/
 165 static double shekel_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 166 {
 167      static const double A[10][4] = { {4,4,4,4},
 168                                       {1,1,1,1},
 169                                       {8,8,8,8},
 170                                       {6,6,6,6},
 171                                       {3,7,3,7},
 172                                       {2,9,2,9},
 173                                       {5,5,3,3},
 174                                       {8,1,8,1},
 175                                       {6,2,6,2},
 176                                       {7,3.6,7,3.6} };
 177      static const double c[10] = {.1,.2,.2,.4,.4,.6,.3,.7,.5,.5};
 178      int i;
 179      double f = 0;
 180      if (grad) for (i = 0; i < n; ++i) grad[i] = 0;
 181      int m = *((int *) data);
 182      for (i = 0; i < m; ++i) {
 183           double fi = 1.0 / (c[i]
 184                              + sqr(x[0]-A[i][0])
 185                              + sqr(x[1]-A[i][1])
 186                              + sqr(x[2]-A[i][2])
 187                              + sqr(x[3]-A[i][3]));
 188           f -= fi;
 189           if (grad) {
 190                grad[0] += (2*fi*fi) * (x[0]-A[i][0]);
 191                grad[1] += (2*fi*fi) * (x[1]-A[i][1]);
 192                grad[2] += (2*fi*fi) * (x[2]-A[i][2]);
 193                grad[3] += (2*fi*fi) * (x[3]-A[i][3]);
 194           }
 195      }
 196      RETURN(f);
 197 }
 198
 199 static int shekel_m[3] = {5,7,10};
 200 static const double shekel_lb[4] = {0,0,0,0};
 201 static const double shekel_ub[4] = {10,10,10,10};
 202 static const double shekel0_xmin[4] = {4.00004,4.00013,4.00004,4.00013};
 203 static const double shekel1_xmin[4] = {4.00057,4.00069,3.99949,3.99961};
 204 static const double shekel2_xmin[4] = {4.00075,4.00059,3.99966,3.99951};
 205
 206 /****************************************************************************/
 207 static double levy_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 208 {
 209      UNUSED(data);
 210      int i;
 211      double a = x[n-1] - 1, b = 1 + sqr(sin(PI2*x[n-1]));
 212      double f = sqr(sin(PI3*x[0])) + a * b;
 213      if (grad) {
 214           for (i = 0; i < n; ++i) grad[i] = 0;
 215           grad[0] = 2 * PI3 * sin(PI3*x[0]) * cos(PI3*x[0]);
 216           grad[n-1] += b + a * 2 * PI2 * sin(PI2*x[n-1]) * cos(PI2*x[n-1]);
 217      }
 218      for (i = 0; i < n-1; ++i) {
 219           a = x[i] - 1;
 220           b = 1 + sqr(sin(PI3*x[i+1]));
 221           f += sqr(a) * b;
 222           if (grad) {
 223                grad[i] += 2 * a * b;
 224                grad[i+1] += 2*PI3 * sqr(a) * sin(PI3*x[i+1])*cos(PI3*x[i+1]);
 225           }
 226      }
 227      RETURN(f);
 228 }
 229
 230 static const double levy_lb[7] = {-5,-5,-5,-5,-5,-5,-5};
 231 static const double levy_ub[7] = {5,5,5,5,5,5,5};
 232 static const double levy_xmin[7] = {1,1,1,1,1,1,-4.754402};
 233 static const double levy4_lb[4] = {-10,-10,-10,-10};
 234 static const double levy4_ub[4] = {10,10,10,10};
 235 static const double levy4_xmin[4] = {1,1,1,-9.752356};
 236
 237 /****************************************************************************/
 238 static double griewank_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 239 {
 240      int i;
 241      double f = 1, p = 1;
 242      UNUSED(data);
 243      for (i = 0; i < n; ++i) {
 244           f += sqr(x[i]) * 0.00025;
 245           p *= cos(x[i] / sqrt(i + 1.));
 246           if (grad) grad[i] = x[i] * 0.0005;
 247      }
 248      f -= p;
 249      if (grad)
 250           for (i = 0; i < n; ++i)
 251                grad[i] += p * tan(x[i] / sqrt(i + 1.)) / sqrt(i + 1.);
 252      RETURN(f);
 253 }
 254
 255 static const double griewank_lb[10] = {-500,-500,-500,-500,-500,-500,-500,-500,-500,-500};
 256 static const double griewank_ub[10] = {600,600,600,600,600,600,600,600,600,600};
 257 static const double griewank_xmin[10] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
 258
 259 /****************************************************************************/
 260 static double sixhumpcamel_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 261 {
 262      UNUSED(data);
 263      if (grad) {
 264           grad[0] = 8*x[0] - 2.1*4*pow(x[0],3.) + 2*pow(x[0],5.) + x[1];
 265           grad[1] = x[0] - 8*x[1] + 16*pow(x[1],3.);
 266      }
 267      RETURN(4*sqr(x[0]) - 2.1 * pow(x[0],4.) + pow(x[0],6.)/3.
 268             + x[0]*x[1] - 4*sqr(x[1]) + 4*pow(x[1],4.));
 269 }
 270
 271 static const double sixhumpcamel_lb[2] = {-5,-5};
 272 static const double sixhumpcamel_ub[2] = {5,5};
 273 static const double sixhumpcamel_xmin[2] = {0.08984, -0.71266};
 274
 275 /****************************************************************************/
 276 static double convexcosh_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 277 {
 278      int i;
 279      double f = 1;
 280      UNUSED(data);
 281      for (i = 0; i < n; ++i)
 282           f *= cosh((x[i] - i) * (i+1));
 283      if (grad)
 284           for (i = 0; i < n; ++i)
 285                grad[i] = f * tanh((x[i] - i) * (i+1)) * (i+1);
 286      RETURN(f);
 287 }
 288
 289 static const double convexcosh_lb[10] = {-1,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
 290 static const double convexcosh_ub[10] = {2,3,6,7,8,10,11,13,14,16};
 291 static const double convexcosh_xmin[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
 292
 293 /****************************************************************************/
 294 static double branin_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 295 {
 296      double a = 1 - 2*x[1] + 0.05 * sin(PI4 * x[1]) - x[0];
 297      double b = x[1] - 0.5 * sin(PI2 * x[0]);
 298      UNUSED(data);
 299      if (grad) {
 300           grad[0] = -2*a - cos(PI2 * x[0]) * PI2 * b;
 301           grad[1] = 2*a*(0.05 * PI4 * cos(PI4*x[1]) - 2) + 2*b;
 302      }
 303      RETURN(sqr(a) + sqr(b));
 304 }
 305
 306 static const double branin_lb[2] = {-10,-10};
 307 static const double branin_ub[2] = {10,10};
 308 static const double branin_xmin[2] = {1,0};
 309
 310 /****************************************************************************/
 311 static double shubert_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 312 {
 313      UNUSED(data);
 314      int i, j;
 315      double f = 0;
 316      for (j = 1; j <= 5; ++j)
 317           for (i = 0; i < n; ++i)
 318                f -= j * sin((j+1) * x[i] + j);
 319      if (grad) {
 320           for (i = 0; i < n; ++i) {
 321                grad[i] = 0;
 322                for (j = 1; j <= 5; ++j)
 323                     grad[i] -= j * (j+1) * cos((j+1) * x[i] + j);
 324           }
 325      }
 326      RETURN(f);
 327 }
 328
 329 static const double shubert_lb[2] = {-10,-10};
 330 static const double shubert_ub[2] = {10,10};
 331 static const double shubert_xmin[2] = {-6.774576, -6.774576};
 332
 333 /****************************************************************************/
 334 static double hansen_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 335 {
 336      int i;
 337      double a = 0, b = 0;
 338      UNUSED(data);
 339      for (i = 1; i <= 5; ++i)
 340           a += i * cos((i-1) * x[0] + i);
 341      for (i = 1; i <= 5; ++i)
 342           b += i * cos((i+1) * x[1] + i);
 343      if (grad) {
 344           grad[0] = 0;
 345           for (i = 1; i <= 5; ++i)
 346                grad[0] -= i * (i-1) * sin((i-1) * x[0] + i);
 347           grad[0] *= b;
 348           grad[1] = 0;
 349           for (i = 1; i <= 5; ++i)
 350                grad[1] -= i * (i+1) * sin((i+1) * x[1] + i);
 351           grad[1] *= a;
 352      }
 353      RETURN(a*b);
 354 }
 355
 356 static const double hansen_lb[2] = {-10,-10};
 357 static const double hansen_ub[2] = {10,10};
 358 static const double hansen_xmin[2] = {-1.306708,-1.425128};
 359
 360 /****************************************************************************/
 361 static double osc1d_f(int n, const double *x, double *grad, void *data)
 362 {
 363      double y = *x - 1.23456789;
 364      UNUSED(data);
 365      if (grad) grad[0] = y*0.02 - sin(y - 2*sin(3*y)) * (1 - 6*cos(3*y));
 366      RETURN(sqr(y*0.1) - cos(y - 2*sin(3*y)));
 367 }
 368
 369 static const double osc1d_lb[1] = {-5};
 370 static const double osc1d_ub[1] = {5};
 371 static const double osc1d_xmin[1] = {1.23456789};
 372
 373 /****************************************************************************/
 374 /****************************************************************************/
 375
 376 const testfunc testfuncs[NTESTFUNCS] = {
 377      { rosenbrock_f, NULL, 1, 2,
 378        rosenbrock_lb, rosenbrock_ub, rosenbrock_xmin,
 379        0.0, "Rosenbrock function" },
 380      { mccormic_f, NULL, 1, 2,
 381        mccormic_lb, mccormic_ub, mccormic_xmin,
 382        -1.9133, "McCormic function" },
 383      { boxbetts_f, NULL, 1, 3,
 384        boxbetts_lb, boxbetts_ub, boxbetts_xmin,
 385        0.0, "Box and Betts exponential quadratic sum" },
 386      { paviani_f, NULL, 1, 10,
 387        paviani_lb, paviani_ub, paviani_xmin,
 388        -45.778470, "Paviani function" },
 389      { grosenbrock_f, NULL, 1, 30,
 390        grosenbrock_lb, grosenbrock_ub, grosenbrock_xmin,
 391        0.0, "Generalized Rosenbrock function" },
 392      { goldsteinprice_f, NULL, 1, 2,
 393        goldsteinprice_lb, goldsteinprice_ub, goldsteinprice_xmin,
 394        3.0, "Goldstein and Price function" },
 395      { shekel_f, shekel_m + 0, 1, 4,
 396        shekel_lb, shekel_ub, shekel0_xmin,
 397        -10.1532, "Shekel m=5 function" },
 398      { shekel_f, shekel_m + 1, 1, 4,
 399        shekel_lb, shekel_ub, shekel1_xmin,
 400        -10.4029, "Shekel m=7 function" },
 401      { shekel_f, shekel_m + 2, 1, 4,
 402        shekel_lb, shekel_ub, shekel2_xmin,
 403        -10.5364, "Shekel m=10 function" },
 404      { levy_f, NULL, 1, 4,
 405        levy4_lb, levy4_ub, levy4_xmin,
 406        -21.502356, "Levy n=4 function" },
 407      { levy_f, NULL, 1, 5,
 408        levy_lb, levy_ub, levy_xmin+2,
 409        -11.504403, "Levy n=5 function" },
 410      { levy_f, NULL, 1, 6,
 411        levy_lb, levy_ub, levy_xmin+1,
 412        -11.504403, "Levy n=6 function" },
 413      { levy_f, NULL, 1, 7,
 414        levy_lb, levy_ub, levy_xmin,
 415        -11.504403, "Levy n=7 function" },
 416      { griewank_f, NULL, 1, 10,
 417        griewank_lb, griewank_ub, griewank_xmin,
 418        0.0, "Griewank function" },
 419      { sixhumpcamel_f, NULL, 1, 2,
 420        sixhumpcamel_lb, sixhumpcamel_ub, sixhumpcamel_xmin,
 421        -1.03163, "Six-hump camel back function" },
 422      { convexcosh_f, NULL, 1, 10,
 423        convexcosh_lb, convexcosh_ub, convexcosh_xmin,
 424        1.0, "Convex product of cosh functions" },
 425      { branin_f, NULL, 1, 2,
 426        branin_lb, branin_ub, branin_xmin,
 427        -.0, "Branin function" },
 428      { shubert_f, NULL, 1, 2,
 429        shubert_lb, shubert_ub, shubert_xmin,
 430        -24.062499, "Shubert function" },
 431      { hansen_f, NULL, 1, 2,
 432        hansen_lb, hansen_ub, hansen_xmin,
 433        -176.541793, "Hansen function" },
 434      { osc1d_f, NULL, 1, 1,
 435        osc1d_lb, osc1d_ub, osc1d_xmin,
 436        -1.0, "1d oscillating function with a single minimum" }
 437 };