test/testopt.cpp

   1 /* Copyright (c) 2007-2011 Massachusetts Institute of Technology
   2  *
   3  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining
   4  * a copy of this software and associated documentation files (the
   5  * "Software"), to deal in the Software without restriction, including
   6  * without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
   7  * distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
   8  * permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
   9  * the following conditions:
  10  *
  11  * The above copyright notice and this permission notice shall be
  12  * included in all copies or substantial portions of the Software.
  13  *
  14  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
  15  * EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
  16  * MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
  17  * NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE
  18  * LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION
  19  * OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION
  20  * WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
  21  */
  22
  23 #include <stdlib.h>
  24 #include <stdio.h>
  25 #include <math.h>
  26 #include <string.h>
  27
  28 #include "config.h"
  29
  30 #ifdef HAVE_UNISTD_H
  31 #  include <unistd.h>
  32 #endif
  33 #ifdef HAVE_GETOPT_H
  34 #  include <getopt.h>
  35 #endif
  36
  37 #define USE_FEENABLEEXCEPT 0
  38 #if USE_FEENABLEEXCEPT
  39 #  include <fenv.h>
  40 extern "C" int feenableexcept (int EXCEPTS);
  41 #endif
  42
  43
  44 #include "nlopt.h"
  45 #include "nlopt-util.h"
  46 #include "testfuncs.h"
  47
  48 static nlopt_algorithm algorithm = NLOPT_GN_DIRECT_L;
  49 static double ftol_rel = 0, ftol_abs = 0, xtol_rel = 0, xtol_abs = 0, minf_max_delta = -HUGE_VAL;
  50 static int maxeval = 1000, iterations = 1, center_start = 0;
  51 static double maxtime = 0.0;
  52 static double xinit_tol = -1;
  53 static int force_constraints = 0;
  54 static int fix_bounds[100] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  55                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  56                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  57                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  58                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  59                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  60                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  61                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  62                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
  63                               0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
  64
  65 static void listalgs(FILE *f)
  66 {
  67   int i;
  68   fprintf(f, "Available algorithms:\n");
  69   for (i = 0; i < NLOPT_NUM_ALGORITHMS; ++i)
  70     fprintf(f, "  %2d: %s\n", i, nlopt_algorithm_name((nlopt_algorithm) i));
  71 }
  72
  73 static void listfuncs(FILE *f)
  74 {
  75   int i;
  76   fprintf(f, "Available objective functions:\n");
  77   for (i = 0; i < NTESTFUNCS; ++i)
  78     fprintf(f, "  %2d: %s (%d dims)\n", i, testfuncs[i].name, testfuncs[i].n);
  79 }
  80
  81 typedef struct {
  82   const double *lb, *ub;
  83   nlopt_func f;
  84   void *f_data;
  85 } bounds_wrap_data;
  86
  87 static double bounds_wrap_func(int n, const double *x, double *grad, void *d_)
  88 {
  89   bounds_wrap_data *d = (bounds_wrap_data *) d_;
  90   int i;
  91   double b = 0;
  92   for (i = 0; i < n; ++i) {
  93     if (x[i] < d->lb[i]) {
  94       b = d->lb[i];
  95       break;
  96     }
  97     else if (x[i] > d->ub[i]) {
  98       b = d->ub[i];
  99       break;
 100     }
 101   }
 102   if (i < n)
 103     fprintf(stderr, "WARNING: bounds violated by x[%d] = %g = %g + %g\n",
 104             i, x[i], b, x[i] - b);
 105   return d->f(n, x, grad, d->f_data);
 106 }
 107
 108 static int test_function(int ifunc)
 109 {
 110   testfunc func;
 111   int i, iter;
 112   double *x, minf, minf_max, f0, *xtabs, *lb, *ub;
 113   nlopt_result ret;
 114   double start = nlopt_seconds();
 115   int total_count = 0, max_count = 0, min_count = 1<<30;
 116   double total_err = 0, max_err = 0;
 117   bounds_wrap_data bw;
 118
 119   if (ifunc < 0 || ifunc >= NTESTFUNCS) {
 120     fprintf(stderr, "testopt: invalid function %d\n", ifunc);
 121     listfuncs(stderr);
 122     return 0;
 123   }
 124   func = testfuncs[ifunc];
 125   x = (double *) malloc(sizeof(double) * func.n * 5);
 126   if (!x) { fprintf(stderr, "testopt: Out of memory!\n"); return 0; }
 127
 128   lb = x + func.n * 3;
 129   ub = lb + func.n;
 130   xtabs = x + func.n * 2;
 131   bw.lb = lb;
 132   bw.ub = ub;
 133   bw.f = func.f;
 134   bw.f_data = func.f_data;
 135
 136   for (i = 0; i < func.n; ++i) xtabs[i] = xtol_abs;
 137   minf_max = minf_max_delta > (-HUGE_VAL) ? minf_max_delta + func.minf : (-HUGE_VAL);
 138
 139   printf("-----------------------------------------------------------\n");
 140   printf("Optimizing %s (%d dims) using %s algorithm\n",
 141          func.name, func.n, nlopt_algorithm_name(algorithm));
 142   printf("lower bounds at lb = [");
 143   for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", func.lb[i]);
 144   printf("]\n");
 145   printf("upper bounds at ub = [");
 146   for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", func.ub[i]);
 147   printf("]\n");
 148   memcpy(lb, func.lb, func.n * sizeof(double));
 149   memcpy(ub, func.ub, func.n * sizeof(double));
 150   for (i = 0; i < func.n; ++i) if (fix_bounds[i]) {
 151       printf("fixing bounds for dim[%d] to xmin[%d]=%g\n",
 152              i, i, func.xmin[i]);
 153       lb[i] = ub[i] = func.xmin[i];
 154   }
 155   if (force_constraints) {
 156     for (i = 0; i < func.n; ++i) {
 157       if (nlopt_iurand(2) == 0)
 158         ub[i] = nlopt_urand(lb[i], func.xmin[i]);
 159       else
 160         lb[i] = nlopt_urand(func.xmin[i], ub[i]);
 161     }
 162     printf("adjusted lower bounds at lb = [");
 163     for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", lb[i]);
 164     printf("]\n");
 165     printf("adjusted upper bounds at ub = [");
 166     for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", ub[i]);
 167     printf("]\n");
 168   }
 169
 170   if (fabs(func.f(func.n, func.xmin, 0, func.f_data) - func.minf) > 1e-8) {
 171     fprintf(stderr, "BUG: function does not achieve given lower bound!\n");
 172     fprintf(stderr, "f(%g", func.xmin[0]);
 173     for (i = 1; i < func.n; ++i) fprintf(stderr, ", %g", func.xmin[i]);
 174     fprintf(stderr, ") = %0.16g instead of %0.16g, |diff| = %g\n",
 175             func.f(func.n, func.xmin, 0, func.f_data), func.minf,
 176             fabs(func.f(func.n, func.xmin, 0, func.f_data) - func.minf));
 177     return 0;
 178   }
 179
 180   for (iter = 0; iter < iterations; ++iter) {
 181     double val;
 182     testfuncs_counter = 0;
 183
 184     printf("Starting guess x = [");
 185     for (i = 0; i < func.n; ++i) {
 186       if (center_start)
 187         x[i] = (ub[i] + lb[i]) * 0.5;
 188       else if (xinit_tol < 0) { /* random starting point near center of box */
 189         double dx = (ub[i] - lb[i]) * 0.25;
 190         double xm = 0.5 * (ub[i] + lb[i]);
 191         x[i] = nlopt_urand(xm - dx, xm + dx);
 192       }
 193       else {
 194         x[i] = nlopt_urand(-xinit_tol, xinit_tol)
 195           + (1 + nlopt_urand(-xinit_tol, xinit_tol)) * func.xmin[i];
 196         if (x[i] > ub[i]) x[i] = ub[i];
 197         else if (x[i] < lb[i]) x[i] = lb[i];
 198       }
 199       printf(" %g", x[i]);
 200     }
 201     printf("]\n");
 202     f0 = func.f(func.n, x, x + func.n, func.f_data);
 203     printf("Starting function value = %g\n", f0);
 204
 205     if (iter == 0 && testfuncs_verbose && func.has_gradient) {
 206       printf("checking gradient:\n");
 207       for (i = 0; i < func.n; ++i) {
 208         double f;
 209         x[i] *= 1 + 1e-6;
 210         f = func.f(func.n, x, NULL, func.f_data);
 211         x[i] /= 1 + 1e-6;
 212         printf("  grad[%d] = %g vs. numerical derivative %g\n",
 213                i, x[i + func.n], (f - f0) / (x[i] * 1e-6));
 214       }
 215     }
 216
 217     testfuncs_counter = 0;
 218     ret = nlopt_minimize(algorithm,
 219                          func.n, bounds_wrap_func, &bw,
 220                          lb, ub,
 221                          x, &minf,
 222                          minf_max, ftol_rel, ftol_abs, xtol_rel, xtabs,
 223                          maxeval, maxtime);
 224     printf("finished after %g seconds.\n", nlopt_seconds() - start);
 225     printf("return code %d from nlopt_minimize\n", ret);
 226     if (ret < 0 && ret != NLOPT_ROUNDOFF_LIMITED
 227         && ret != NLOPT_FORCED_STOP) {
 228       fprintf(stderr, "testopt: error in nlopt_minimize\n");
 229       free(x);
 230       return 0;
 231     }
 232     printf("Found minimum f = %g after %d evaluations.\n",
 233            minf, testfuncs_counter);
 234     total_count += testfuncs_counter;
 235     if (testfuncs_counter > max_count) max_count = testfuncs_counter;
 236     if (testfuncs_counter < min_count) min_count = testfuncs_counter;
 237     printf("Minimum at x = [");
 238     for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", x[i]);
 239     printf("]\n");
 240     if (func.minf == 0)
 241       printf("|f - minf| = %g\n", fabs(minf - func.minf));
 242     else
 243       printf("|f - minf| = %g, |f - minf| / |minf| = %e\n",
 244              fabs(minf - func.minf), fabs(minf - func.minf) / fabs(func.minf));
 245     total_err += fabs(minf - func.minf);
 246     if (fabs(minf - func.minf) > max_err)
 247       max_err = fabs(minf - func.minf);
 248     printf("vs. global minimum f = %g at x = [", func.minf);
 249     for (i = 0; i < func.n; ++i) printf(" %g", func.xmin[i]);
 250     printf("]\n");
 251
 252     val = func.f(func.n, x, NULL, func.f_data);
 253     if (val != minf) {
 254       fprintf(stderr, "Mismatch %g between returned minf=%g and f(x) = %g\n",
 255               minf - val, minf, val);
 256       free(x);
 257       return 0;
 258     }
 259   }
 260   if (iterations > 1)
 261     printf("average #evaluations = %g (%d-%d)\naverage |f-minf| = %g, max |f-minf| = %g\n", total_count * 1.0 / iterations, min_count, max_count, total_err / iterations, max_err);
 262
 263   free(x);
 264   return 1;
 265 }
 266
 267 static void usage(FILE *f)
 268 {
 269   fprintf(f, "Usage: testopt [OPTIONS]\n"
 270           "Options:\n"
 271           "     -h : print this help\n"
 272           "     -L : list available algorithms and objective functions\n"
 273           "     -v : verbose mode\n"
 274           " -a <n> : use optimization algorithm <n>\n"
 275           " -o <n> : use objective function <n>\n"
 276           " -0 <x> : starting guess within <x> + (1+<x>) * optimum\n"
 277           " -b <dim0,dim1,...>: eliminate given dims by equating bounds\n"
 278           "     -c : starting guess at center of cell\n"
 279           "     -C : put optimum outside of bound constraints\n"
 280           " -e <n> : use at most <n> evals (default: %d, 0 to disable)\n"
 281           " -t <t> : use at most <t> seconds (default: disabled)\n"
 282           " -x <t> : relative tolerance <t> on x (default: disabled)\n"
 283           " -X <t> : absolute tolerance <t> on x (default: disabled)\n"
 284           " -f <t> : relative tolerance <t> on f (default: disabled)\n"
 285           " -F <t> : absolute tolerance <t> on f (default: disabled)\n"
 286           " -m <m> : stop when minf+<m> is reached (default: disabled)\n"
 287           " -i <n> : iterate optimization <n> times (default: 1)\n"
 288           " -r <s> : use random seed <s> for starting guesses\n"
 289           , maxeval);
 290 }
 291
 292 int main(int argc, char **argv)
 293 {
 294   int c;
 295
 296   nlopt_srand_time();
 297   testfuncs_verbose = 0;
 298
 299   if (argc <= 1)
 300     usage(stdout);
 301
 302 #if USE_FEENABLEEXCEPT
 303   feenableexcept(FE_INVALID);
 304 #endif
 305
 306   while ((c = getopt(argc, argv, "hLvCc0:r:a:o:i:e:t:x:X:f:F:m:b:")) != -1)
 307     switch (c) {
 308     case 'h':
 309       usage(stdout);
 310       return EXIT_SUCCESS;
 311     case 'L':
 312       listalgs(stdout);
 313       listfuncs(stdout);
 314       return EXIT_SUCCESS;
 315     case 'v':
 316       testfuncs_verbose = 1;
 317       break;
 318     case 'C':
 319       force_constraints = 1;
 320       break;
 321     case 'r':
 322       nlopt_srand((unsigned long) atoi(optarg));
 323       break;
 324     case 'a':
 325       c = atoi(optarg);
 326       if (c < 0 || c >= NLOPT_NUM_ALGORITHMS) {
 327         fprintf(stderr, "testopt: invalid algorithm %d\n", c);
 328         listalgs(stderr);
 329         return EXIT_FAILURE;
 330       }
 331       algorithm = (nlopt_algorithm) c;
 332       break;
 333     case 'o':
 334       if (!test_function(atoi(optarg)))
 335         return EXIT_FAILURE;
 336       break;
 337     case 'e':
 338       maxeval = atoi(optarg);
 339       break;
 340     case 'i':
 341       iterations = atoi(optarg);
 342       break;
 343     case 't':
 344       maxtime = atof(optarg);
 345       break;
 346     case 'x':
 347       xtol_rel = atof(optarg);
 348       break;
 349     case 'X':
 350       xtol_abs = atof(optarg);
 351       break;
 352     case 'f':
 353       ftol_rel = atof(optarg);
 354       break;
 355     case 'F':
 356       ftol_abs = atof(optarg);
 357       break;
 358     case 'm':
 359       minf_max_delta = atof(optarg);
 360       break;
 361     case 'c':
 362       center_start = 1;
 363       break;
 364     case '0':
 365       center_start = 0;
 366       xinit_tol = atof(optarg);
 367       break;
 368     case 'b': {
 369       const char *s = optarg;
 370       while (s && *s) {
 371         int b = atoi(s);
 372         if (b < 0 || b >= 100) {
 373           fprintf(stderr, "invalid -b argument");
 374           return EXIT_FAILURE;
 375         }
 376         fix_bounds[b] = 1;
 377         s = strchr(s, ','); if (s) ++s;
 378       }
 379       break;
 380     }
 381     default:
 382       fprintf(stderr, "harminv: invalid argument -%c\n", c);
 383       usage(stderr);
 384       return EXIT_FAILURE;
 385     }
 386
 387   return EXIT_SUCCESS;
 388 }