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Python 实现 LM 算法（Levenberg-Marquardt）

article 2024/9/20 12:15:19

博客：Python 实现 LM 算法（Levenberg-Marquardt）

引言
- 什么是 Levenberg-Marquardt (LM) 算法？
- LM 算法的应用场景
- LM 算法的优点与局限性
LM 算法的原理
- LM 算法的基本思想
- LM 算法的数学推导
- 与高斯牛顿法和梯度下降法的比较
Python 实现 LM 算法
- 面向对象的设计思路
- 代码实现
- 代码详解
LM 算法应用实例：非线性曲线拟合
- 场景描述
- 算法实现
- 结果分析与可视化
LM 算法的改进与扩展
- LM 算法中的参数调节
- LM 算法的改进与其他变种
总结
- LM 算法的适用场景
- 何时选择 LM 算法
- 与其他算法的对比

1. 引言

什么是 Levenberg-Marquardt (LM) 算法？

Levenberg-Marquardt（LM）算法是求解非线性最小二乘问题的著名方法。它结合了高斯牛顿法和梯度下降法的优点，广泛用于非线性曲线拟合、机器学习、最优参数估计等领域。

LM 算法的一个主要特点是能够在问题接近线性时，像高斯牛顿法一样快速收敛；而在问题严重非线性时，它通过梯度下降法的机制避免了求解发散。它是一个调和局部曲率信息与梯度信息的混合算法。

LM 算法的应用场景

非线性回归：通过 LM 算法来找到模型参数，使得拟合曲线与数据误差最小。
机器学习中的参数优化：在训练神经网络等模型时，LM 算法可以用于权重更新。
图像处理中的形变分析：用 LM 算法来计算形变参数，以最小化图像配准的误差。

LM 算法的优点与局限性

优点：

快速收敛：当模型接近线性时，LM 算法会像高斯牛顿法一样快速收敛。
避免局部极小：通过引入正则化，LM 算法能够更好地处理复杂的优化问题，避免陷入局部极小值。

局限性：

计算复杂度较高：每次迭代都需要计算雅可比矩阵和更新参数，复杂度较高。
对初始猜测敏感：尽管比牛顿法鲁棒，但如果初始参数猜测得过于不准确，收敛速度会减慢。

2. LM 算法的原理

LM 算法的基本思想

LM 算法是一种在高斯牛顿法和梯度下降法之间动态调整的算法。当误差函数的二次近似足够好时，算法行为类似高斯牛顿法；当近似不好时，算法则趋向梯度下降法。这通过一个阻尼因子 (\lambda) 来调节，该因子控制了每次迭代时的步长和方向。

LM 算法的数学推导

LM 算法的目标是最小化非线性最小二乘问题：

$\min_{\theta} \sum_{i=1}^{n} \left( y_i - f(x_i, \theta) \right)^2$

迭代的更新公式为：

$\Delta \theta = -(J^T J + \lambda I)^{-1} J^T r(\theta)$

其中：

$J$ 是误差函数 $r(\theta)$ 的雅可比矩阵；
$\lambda$ 是调节参数；
$I$ 是单位矩阵；
$r(\theta)$ 是残差向量。

$\lambda$ 决定了算法的特性。当 $\lambda$ 较大时， $\lambda I$ 的影响增大，算法行为趋向于梯度下降法；当 $\lambda$ 较小时，算法行为接近高斯牛顿法。

与高斯牛顿法和梯度下降法的比较

与高斯牛顿法的关系：高斯牛顿法不使用正则化项 $\lambda = 0$ ，因此当误差模型线性化的假设不成立时，可能会导致收敛缓慢或不稳定。
与梯度下降法的关系：梯度下降法通过减少步长来避免发散，而 LM 算法通过动态调节 $\lambda$ 更灵活地控制步长。

3. Python 实现 LM 算法

面向对象的设计思路

为了实现 LM 算法，首先需要构建一个代表非线性模型的类，用于计算误差和雅可比矩阵；其次，设计一个 LM 算法的类，用于执行参数优化。通过这种面向对象的方式，我们可以清晰地封装模型和优化算法的功能。

代码实现

import numpy as np

class NonlinearModel:
    """表示非线性模型的类，包含残差和Jacobian矩阵的计算。"""
    def __init__(self, func, jacobian):
        """
        :param func: 非线性模型函数
        :param jacobian: Jacobian矩阵的计算函数
        """
        self.func = func
        self.jacobian = jacobian
    
    def residuals(self, x_data, y_data, theta):
        """计算残差向量"""
        return y_data - self.func(x_data, theta)
    
    def jacobian_matrix(self, x_data, theta):
        """计算给定参数下的Jacobian矩阵"""
        return self.jacobian(x_data, theta)


class LevenbergMarquardt:
    """Levenberg-Marquardt算法的实现类。"""
    def __init__(self, model, tolerance=1e-6, max_iters=100, lambda_init=0.01):
        """
        :param model: 待拟合的非线性模型对象
        :param tolerance: 收敛阈值
        :param max_iters: 最大迭代次数
        :param lambda_init: 初始阻尼因子lambda
        """
        self.model = model
        self.tolerance = tolerance
        self.max_iters = max_iters
        self.lambda_init = lambda_init
    
    def fit(self, x_data, y_data, initial_theta):
        """使用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数"""
        theta = initial_theta
        lambda_factor = self.lambda_init
        
        for i in range(self.max_iters):
            residuals = self.model.residuals(x_data, y_data, theta)
            jacobian = self.model.jacobian_matrix(x_data, theta)
            
            # 计算Hessian近似
            H = jacobian.T @ jacobian
            
            # 更新公式中增加lambda项
            delta_theta = np.linalg.inv(H + lambda_factor * np.eye(H.shape[0])) @ jacobian.T @ residuals
            
            # 更新参数
            theta_new = theta + delta_theta
            
            # 计算新的残差
            residuals_new = self.model.residuals(x_data, y_data, theta_new)
            
            # 判断是否收敛
            if np.linalg.norm(delta_theta) < self.tolerance:
                print(f"迭代收敛，共迭代 {i+1} 次")
                return theta_new
            
            # 动态调整lambda
            if np.linalg.norm(residuals_new) < np.linalg.norm(residuals):
                lambda_factor /= 10  # 减少lambda
                theta = theta_new
            else:
                lambda_factor *= 10  # 增加lambda
        
        print("达到最大迭代次数，未能完全收敛。")
        return theta


# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 定义非线性模型 y = a * exp(b * x)
    def func(x, theta):
        return theta[0] * np.exp(theta[1] * x)
    
    # 定义Jacobian矩阵
    def jacobian(x, theta):
        J = np.zeros((len(x), len(theta)))
        J[:, 0] = np.exp(theta[1] * x)
        J[:, 1] = theta[0] * x * np.exp(theta[1] * x)
        return J
    
    # 创建模型和LM算法实例
    model = NonlinearModel(func, jacobian)
    lm_solver = LevenbergMarquardt(model)
    
    # 生成数据
    x_data = np.linspace(0, 1,

 10)
    y_data = 2 * np.exp(3 * x_data) + np.random.normal(0, 0.1, size=x_data.shape)
    
    # 初始参数猜测
    initial_theta = np.array([1, 1])
    
    # 执行拟合
    optimal_theta = lm_solver.fit(x_data, y_data, initial_theta)
    print("最优参数:", optimal_theta)

4. LM 算法应用实例：非线性曲线拟合

场景描述

我们将使用 Levenberg-Marquardt 算法来拟合非线性模型 $\cdot e^{b \cdot x}$ 。生成一组具有噪声的样本数据，并通过算法找到最优的 $a$ 和 $b$ 参数，使得模型曲线与数据点的误差最小。

结果分析与可视化

通过 matplotlib 可视化拟合效果：

import matplotlib.pyplot as plt

# 绘制拟合曲线与真实数据点
y_fit = func(x_data, optimal_theta)
plt.scatter(x_data, y_data, label="数据点")
plt.plot(x_data, y_fit, label="拟合曲线", color='r')
plt.xlabel("x")
plt.ylabel("y")
plt.legend()
plt.show()