chiark / gitweb /
whoops, missing file
authorstevenj <stevenj@alum.mit.edu>
Mon, 18 Aug 2008 22:38:37 +0000 (18:38 -0400)
committerstevenj <stevenj@alum.mit.edu>
Mon, 18 Aug 2008 22:38:37 +0000 (18:38 -0400)
darcs-hash:20080818223837-c8de0-444a6f4a399d7eecf29b82b2317174769fb42d6c.gz

cdirect/hybrid.c [new file with mode: 0644]

diff --git a/cdirect/hybrid.c b/cdirect/hybrid.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..290285d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,296 @@
+#include <math.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+
+#include "nlopt-util.h"
+#include "nlopt.h"
+#include "cdirect.h"
+#include "redblack.h"
+#include "config.h"
+
+/* Hybrid algorithm, inspired by DIRECT, that uses another local
+ * optimization algorithm within each rectangle, and then looks
+ * in the largest remaining rectangle (breaking ties by minimum
+ * function value and then by age. 
+ *
+ * Each hyperrect is represented by an array of length 3*n+3 consisting
+ * of (d, -f, -a, x, c, w), where d=diameter, f=f(x), a=age, x=local optimum
+ * c=center, w=widths.
+ */
+
+typedef struct {
+     int n; /* dimension */
+     int L; /* 3*n+3 */
+     const double *lb, *ub;
+     nlopt_stopping *stop; /* stopping criteria */
+     nlopt_func f; void *f_data;
+     double minf, *xmin; /* min so far */
+     rb_tree rtree; /* red-black tree of rects, sorted by (d,-f,-a) */
+     int age; /* age for next new rect */
+     double *work; /* workspace of length >= 2*n */
+     
+     nlopt_algorithm local_alg; /* local search algorithm */
+     int local_maxeval; /* max # local iterations (0 if unlimited) */
+
+     int randomized_div; /* 1 to use randomized division algorithm */
+} params;
+
+#define MIN(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
+
+#define THIRD (0.3333333333333333333333) /* 1/3 */
+
+/************************************************************************/
+
+static double fcount(int n, const double *x, double *grad, void *p_)
+{
+     params *p = (params *) p_;
+     p->stop->nevals++;
+     return p->f(n, x, grad, p->f_data);
+}
+
+static nlopt_result optimize_rect(double *r, params *p)
+{
+     int i, n = p->n;
+     double *lb = p->work, *ub = lb + n;
+     double *x = r + 3, *c = x + n, *w = c + n;
+     double t = nlopt_seconds();
+     double minf;
+     nlopt_stopping *stop = p->stop;
+     nlopt_result ret;
+     
+     if (stop->maxeval > 0 &&
+        stop->nevals >= stop->maxeval) return NLOPT_MAXEVAL_REACHED;
+     if (stop->maxtime > 0 &&
+        t - stop->start >= stop->maxtime) return NLOPT_MAXTIME_REACHED;
+
+     for (i = 0; i < n; ++i) {
+         lb[i] = c[i] - 0.5 * w[i];
+         ub[i] = c[i] + 0.5 * w[i];
+     }
+     ret = nlopt_minimize(p->local_alg, n, fcount, p, 
+                         lb, ub, x, &minf,
+                         stop->minf_max, stop->ftol_rel, stop->ftol_abs,
+                         stop->xtol_rel, stop->xtol_abs,
+                         p->local_maxeval > 0 ?
+                         MIN(p->local_maxeval, 
+                             stop->maxeval - stop->nevals)
+                         : stop->maxeval - stop->nevals,
+                         stop->maxtime - (t - stop->start));
+     r[1] = -minf;
+     if (ret > 0) {
+         if (minf < p->minf) {
+              p->minf = minf;
+              memcpy(p->xmin, x, sizeof(double) * n);
+              if (ret == NLOPT_MINF_MAX_REACHED) return ret;
+         }
+         return NLOPT_SUCCESS;
+     }
+     return ret;
+}
+
+/* given a hyperrect r, randomize the starting guess within the middle
+   third of the box (don't guess too close to edges) */
+static void randomize_x(int n, double *r)
+{
+     double *x = r + 3, *c = x + n, *w = c + n;
+     int i;
+     for (i = 0; i < n; ++i)
+         x[i] = nlopt_urand(c[i] - w[i]*(0.5*THIRD),
+                            c[i] + w[i]*(0.5*THIRD));
+}
+
+/************************************************************************/
+
+static double longest(int n, const double *w)
+{
+     double wmax = w[n-1];
+     for (n = n-2; n >= 0; n--) if (w[n] > wmax) wmax = w[n];
+     return wmax;
+}
+
+#define EQUAL_SIDE_TOL 5e-2 /* tolerance to equate side sizes */
+
+static nlopt_result divide_largest(params *p)
+{
+     int L = p->L;
+     int n = p->n;
+     rb_node *node = rb_tree_max(&p->rtree); /* just using it as a heap */
+     double minf_start = p->minf;
+     double *r = node->k, *rnew = NULL;
+     double *x = r + 3, *c = x + n, *w = c + n;
+     const double *lb = p->lb, *ub = p->ub;
+     int i, idiv;
+     double wmax;
+     nlopt_result ret;
+
+     /* printf("rect:, %d, %g, %g, %g, %g\n", p->stop->nevals, c[0], c[1], w[0], w[1]); */
+
+     /* check xtol */
+     for (i = 0; i < n; ++i)
+         if (w[i] > p->stop->xtol_rel * (ub[i] - lb[i])
+             && w[i] > p->stop->xtol_abs[i])
+              break;
+     if (i == n) return NLOPT_XTOL_REACHED;
+
+     if (p->randomized_div) { /* randomly pick among ~largest sides */
+         int nlongest = 0;
+         wmax = longest(n, w);
+         for (i = 0; i < n; ++i)
+              if (wmax - w[i] < EQUAL_SIDE_TOL * wmax) ++nlongest;
+         i = 1 + nlopt_iurand(nlongest);
+         for (idiv = 0; idiv < n; ++idiv) {
+              if (wmax - w[idiv] < EQUAL_SIDE_TOL * wmax) --i;
+              if (!i) break;
+         }
+     }
+     else { /* just pick first largest side */
+         wmax = w[idiv = 0];
+         for (i = 1; i < n; ++i) if (w[i] > wmax) wmax = w[idiv = i];
+     }
+
+     if (fabs(x[idiv] - c[idiv]) > (0.5 * THIRD) * w[idiv]) { /* bisect */
+         double deltac = (x[idiv] > c[idiv] ? 0.25 : -0.25) * w[idiv];
+         w[idiv] *= 0.5;
+         c[idiv] += deltac;
+         r[0] = longest(n, w); /* new diameter */
+         /* r[1] unchanged since still contains local optimum x */
+         r[2] = p->age--;
+         node = rb_tree_resort(&p->rtree, node);
+
+         rnew = (double *) malloc(sizeof(double) * L);
+         if (!rnew) return NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+         memcpy(rnew, r, sizeof(double) * L);
+         rnew[2] = p->age--;
+         rnew[3+n+idiv] -= deltac*2;
+         if (p->randomized_div)
+              randomize_x(n, rnew);
+         else
+              memcpy(rnew+3, rnew+3+n, sizeof(double) * n); /* x = c */
+         ret = optimize_rect(rnew, p);
+         if (ret != NLOPT_SUCCESS) { free(rnew); return ret; }
+         if (!rb_tree_insert(&p->rtree, rnew)) {
+              free(rnew); return NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+         }
+     }
+     else { /* trisect */
+         w[idiv] *= THIRD;
+         r[0] = longest(n, w);
+         /* r[1] unchanged since still contains local optimum x */
+         r[2] = p->age--;
+         node = rb_tree_resort(&p->rtree, node);
+
+         for (i = -1; i <= +1; i += 2) {
+              rnew = (double *) malloc(sizeof(double) * L);
+              if (!rnew) return NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+              memcpy(rnew, r, sizeof(double) * L);
+              rnew[2] = p->age--;
+              rnew[3+n+idiv] += w[i] * i;
+              if (p->randomized_div)
+                   randomize_x(n, rnew);
+              else
+                   memcpy(rnew+3, rnew+3+n, sizeof(double) * n); /* x = c */
+              ret = optimize_rect(rnew, p);
+              if (ret != NLOPT_SUCCESS) { free(rnew); return ret; }
+              if (!rb_tree_insert(&p->rtree, rnew)) {
+                   free(rnew); return NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+              }
+         }
+     }
+     if (p->minf < minf_start && nlopt_stop_f(p->stop, p->minf, minf_start))
+         return NLOPT_FTOL_REACHED;
+     return NLOPT_SUCCESS;
+}
+
+/************************************************************************/
+
+nlopt_result cdirect_hybrid_unscaled(int n, nlopt_func f, void *f_data,
+                                    const double *lb, const double *ub,
+                                    double *x,
+                                    double *minf,
+                                    nlopt_stopping *stop,
+                                    nlopt_algorithm local_alg,
+                                    int local_maxeval,
+                                    int randomized_div)
+{
+     params p;
+     int i;
+     double *rnew;
+     nlopt_result ret = NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+
+     p.n = n;
+     p.L = 3*n+3;
+     p.lb = lb; p.ub = ub;
+     p.stop = stop;
+     p.f = f;
+     p.f_data = f_data;
+     p.minf = HUGE_VAL;
+     p.xmin = x;
+     p.age = 0;
+     p.work = 0;
+     p.local_alg = local_alg;
+     p.local_maxeval = local_maxeval;
+     p.randomized_div = randomized_div;
+
+     rb_tree_init(&p.rtree, cdirect_hyperrect_compare);
+     p.work = (double *) malloc(sizeof(double) * (2*n));
+     if (!p.work) goto done;
+     
+     if (!(rnew = (double *) malloc(sizeof(double) * p.L))) goto done;
+     for (i = 0; i < n; ++i) {
+          rnew[3+i] = rnew[3+n+i] = 0.5 * (lb[i] + ub[i]);
+          rnew[3+2*n+i] = ub[i] - lb[i];
+     }
+     rnew[0] = longest(n, rnew+2*n);
+     rnew[2] = p.age--;
+     ret = optimize_rect(rnew, &p);
+     if (ret != NLOPT_SUCCESS) { free(rnew); goto done; }
+     if (!rb_tree_insert(&p.rtree, rnew)) { free(rnew); goto done; }
+
+     do {
+         ret = divide_largest(&p);
+     } while (ret == NLOPT_SUCCESS);
+
+ done:
+     rb_tree_destroy_with_keys(&p.rtree);
+     free(p.work);
+             
+     *minf = p.minf;
+     return ret;
+}
+
+/* rescaled to unit hypercube so that all x[i] are weighted equally  */
+nlopt_result cdirect_hybrid(int n, nlopt_func f, void *f_data,
+                           const double *lb, const double *ub,
+                           double *x,
+                           double *minf,
+                           nlopt_stopping *stop,
+                           nlopt_algorithm local_alg,
+                           int local_maxeval,
+                           int randomized_div)
+{
+     cdirect_uf_data d;
+     nlopt_result ret;
+     const double *xtol_abs_save;
+     int i;
+
+     d.f = f; d.f_data = f_data; d.lb = lb; d.ub = ub;
+     d.x = (double *) malloc(sizeof(double) * n*4);
+     if (!d.x) return NLOPT_OUT_OF_MEMORY;
+     
+     for (i = 0; i < n; ++i) {
+         x[i] = (x[i] - lb[i]) / (ub[i] - lb[i]);
+         d.x[n+i] = 0;
+         d.x[2*n+i] = 1;
+         d.x[3*n+i] = stop->xtol_abs[i] / (ub[i] - lb[i]);
+     }
+     xtol_abs_save = stop->xtol_abs;
+     stop->xtol_abs = d.x + 3*n;
+     ret = cdirect_hybrid_unscaled(n, cdirect_uf, &d, d.x+n, d.x+2*n, 
+                                  x, minf, stop, local_alg, local_maxeval,
+                                  randomized_div);
+     stop->xtol_abs = xtol_abs_save;
+     for (i = 0; i < n; ++i)
+         x[i] = lb[i]+ x[i] * (ub[i] - lb[i]);
+     free(d.x);
+     return ret;
+}