数学代写|优化理论作业代写optimization theory代考|ESE504
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优化理论是数学的一个分支,致力于解决优化问题。优化问题是我们想要最小化或最大化函数值的数学函数。这些类型的问题在计算机科学和应用数学中被大量发现。
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数学代写|优化理论作业代写optimization theory代考|Gradient-Based Algorithms
The gradient method is probably one of the oldest optimization algorithms, going back to 1847 with the initial work of Cauchy. The gradient method is an algorithm for examining the directions defined by the gradient of a function at the current point. Based on the basic principle, different gradient-based methods have been developed, such as the steepest descent method, the conjugate gradient method, the LevenbergMarquardt method [25, 26], the Newton method and several Quasi-Newton methods, the Davidon-Fletcher-Powell (DFP), and the Broyden-Fletcher- Goldfarb-Shanno (BFGS) methods.
A rapid convergence is the primary advantage of a gradient-based method. Clearly, the effective use of gradient information can significantly enhance the speed of convergence compared to a method that does not compute gradients. However, gradientbased methods have some limitations, being strongly dependent on user skills (e.g., the basic knowledge of typical values of parameters and the ability to selecting ranges of parameters), due to the need to choose the initial trial solutions. Also, they can easily fall into local minimums, mainly when the procedure is applied to multi-objective functions, as it is the case for material parameter identification with a nonlinear soil model. The requirement of derivative calculations makes these methods non-trivial to implement. Another potential weakness of the gradient-based methods is that they are relatively sensitive to difficulties such as noisy objective function spaces, inaccurate gradients, categorical variables, and topology optimization.
The gradient-based methods have been used for solving different geotechnical engineering problems, such as identifying mechanical soil parameters $[3,4,15]$ or soil permeability coefficient [27], optimizing the tunneling-induced ground movement [28], and analyzing the excavation-induced wall deflection [29]. However, due to their limitations stemming from lack of enough information, the gradient-based methods cannot be satisfactorily applied to complex nonlinear optimization problems.
数学代写|优化理论作业代写optimization theory代考|Nelder–Mead Simplex
The simplex algorithm is a nonlinear optimization algorithm developed by Nelder and Mead [30] for minimizing an objective function in a poly-dimensional space, which adopts a direct search strategy. The method uses the concept of a simplex, which is a polytope of $N+1$ vertices in $N$ dimensions, in order to find a locally optimal solution to a problem with $N$ variables when the objective function varies monotonically.
The Nelder-Mead simplex can change in five different ways during iteration in two dimensions, as shown in Figs. $2.9$ and 2.10. For example, the number of selected variables is $N$. Then $N+1$ set of parameters (or $N+1$ individuals) should be generated. Then, the error of all individuals can be calculated. Thus, the ascending order of all individuals is obtained. The worst point of the simplex at iteration $k$ (point $X_3$ in the figure) is selected to be reflected. The $\bar{X}$ point is the mean of parameter sets $X_1 \sim X_{\mathrm{N}}$ and is taken as the reflection center. After the reflection, the $X_{\mathrm{r}}$ and its error $f\left(X_{\mathrm{r}}\right)$ are obtained. Then, the $f\left(X_{\mathrm{r}}\right)$ is compared to previous errors $f\left(X_1 \sim X_{N+1}\right)$. Based on the results of comparison, there are three possibilities to update the worst point (expansion, sutside contraction, and inside contraction). If the updated point is better than the worst point, then the worst point is replaced by the updated point. Otherwise, apart from the $X_1$, the individuals $X_2 \sim X_{N+1}$ will be updated by using the shrink; the errors of all updated individuals are then calculated. Finally, the convergence criterion is checked; if yes, the individual with the minimum error is considered as the optimal parameter set; if no, continue to next iteration.
The Nelder-Mead simplex can lead to the best solution using a limited number of calculations. In that sense, it can be fast and efficient. However, most direct search strategies, such as the gradient-based and simplex methods described above, are only capable of searching for a local minimum. Generally, it is difficult to verify whether the local minimum is the global one in the multi-dimensional parameter space. A possible solution to this problem is to start the search from different initial positions and, if the local minimum remains the same, then this is most probably also the global minimum.
The pseudo code of the simplex is given below.

优化理论代写
数学代写|优化理论作业代写optimization theory代考|Gradient-Based Algorithms
梯度法可能是最古老的优化算法之一,可以追溯到 1847 年 Cauchy 的最初工作。梯度法是一种用于检查由函数在当前点的梯度定义的方向的算法。基于基本原理,开发了不同的基于梯度的方法,例如最速下降法、共轭梯度法、LevenbergMarquardt 方法 [25、26]、Newton 方法和几种拟牛顿方法、Davidon-Fletcher -Powell (DFP) 和 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) 方法。
快速收敛是基于梯度的方法的主要优点。显然,与不计算梯度的方法相比,有效使用梯度信息可以显着提高收敛速度。然而,基于梯度的方法有一些局限性,由于需要选择初始试验解决方案,因此强烈依赖于用户技能(例如,参数典型值的基本知识和选择参数范围的能力)。此外,它们很容易陷入局部最小值,主要是当该程序应用于多目标函数时,例如使用非线性土壤模型进行材料参数识别的情况。导数计算的要求使得这些方法实现起来并不简单。
基于梯度的方法已被用于解决不同的岩土工程问题,例如识别机械土壤参数[3,4,15]或土壤渗透系数 [27],优化隧道引起的地面运动 [28],并分析开挖引起的墙体挠度 [29]。然而,由于缺乏足够的信息,基于梯度的方法不能令人满意地应用于复杂的非线性优化问题。
数学代写|优化理论作业代写optimization theory代考|Nelder–Mead Simplex
单纯形算法是 Nelder 和 Mead [30] 开发的一种非线性优化算法,用于在多维空间中最小化目标函数,采用直接搜索策略。该方法使用单纯形的概念,它是ñ+1顶点在ñ维度,以便找到问题的局部最优解ñ目标函数单调变化时的变量。
Nelder-Mead 单纯形在二维迭代过程中可以以五种不同的方式变化,如图 1 和图 2 所示。2.9和 2.10。例如,所选变量的数量为ñ. 然后ñ+1一组参数(或ñ+1个人)应生成。然后,可以计算所有个体的误差。这样就得到了所有个体的升序。迭代中单纯形的最坏点ķ(观点X3图中)被选中进行反映。这X¯点是参数集的平均值X1∼Xñ并作为反射中心。反思过后,Xr及其错误F(Xr)获得。然后,F(Xr)与以前的错误进行比较F(X1∼Xñ+1). 根据比较结果,更新最坏点的可能性有 3 种(膨胀、外收缩和内收缩)。如果更新点好于最差点,则用更新点代替最差点。否则,除了X1, 个人X2∼Xñ+1将通过使用收缩进行更新;然后计算所有更新个体的误差。最后,检查收敛准则;如果是,则认为误差最小的个体为最优参数集;如果否,则继续下一次迭代。
Nelder-Mead 单纯形法可以使用有限数量的计算得出最佳解决方案。从这个意义上说,它可以快速高效。然而,大多数直接搜索策略,例如上面描述的基于梯度和单纯形的方法,只能搜索局部最小值。通常,在多维参数空间中很难验证局部最小值是否是全局最小值。这个问题的一个可能的解决方案是从不同的初始位置开始搜索,如果局部最小值保持不变,那么这很可能也是全局最小值。
单纯形的伪代码如下。
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金融工程代写
金融工程是使用数学技术来解决金融问题。金融工程使用计算机科学、统计学、经济学和应用数学领域的工具和知识来解决当前的金融问题,以及设计新的和创新的金融产品。
非参数统计代写
非参数统计指的是一种统计方法,其中不假设数据来自于由少数参数决定的规定模型;这种模型的例子包括正态分布模型和线性回归模型。
广义线性模型代考
广义线性模型(GLM)归属统计学领域,是一种应用灵活的线性回归模型。该模型允许因变量的偏差分布有除了正态分布之外的其它分布。
术语 广义线性模型(GLM)通常是指给定连续和/或分类预测因素的连续响应变量的常规线性回归模型。它包括多元线性回归,以及方差分析和方差分析(仅含固定效应)。
有限元方法代写
有限元方法(FEM)是一种流行的方法,用于数值解决工程和数学建模中出现的微分方程。典型的问题领域包括结构分析、传热、流体流动、质量运输和电磁势等传统领域。
有限元是一种通用的数值方法,用于解决两个或三个空间变量的偏微分方程(即一些边界值问题)。为了解决一个问题,有限元将一个大系统细分为更小、更简单的部分,称为有限元。这是通过在空间维度上的特定空间离散化来实现的,它是通过构建对象的网格来实现的:用于求解的数值域,它有有限数量的点。边界值问题的有限元方法表述最终导致一个代数方程组。该方法在域上对未知函数进行逼近。[1] 然后将模拟这些有限元的简单方程组合成一个更大的方程系统,以模拟整个问题。然后,有限元通过变化微积分使相关的误差函数最小化来逼近一个解决方案。
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随机分析代写
随机微积分是数学的一个分支,对随机过程进行操作。它允许为随机过程的积分定义一个关于随机过程的一致的积分理论。这个领域是由日本数学家伊藤清在第二次世界大战期间创建并开始的。
时间序列分析代写
随机过程,是依赖于参数的一组随机变量的全体,参数通常是时间。 随机变量是随机现象的数量表现,其时间序列是一组按照时间发生先后顺序进行排列的数据点序列。通常一组时间序列的时间间隔为一恒定值(如1秒,5分钟,12小时,7天,1年),因此时间序列可以作为离散时间数据进行分析处理。研究时间序列数据的意义在于现实中,往往需要研究某个事物其随时间发展变化的规律。这就需要通过研究该事物过去发展的历史记录,以得到其自身发展的规律。
回归分析代写
多元回归分析渐进(Multiple Regression Analysis Asymptotics)属于计量经济学领域,主要是一种数学上的统计分析方法,可以分析复杂情况下各影响因素的数学关系,在自然科学、社会和经济学等多个领域内应用广泛。
MATLAB代写
MATLAB 是一种用于技术计算的高性能语言。它将计算、可视化和编程集成在一个易于使用的环境中,其中问题和解决方案以熟悉的数学符号表示。典型用途包括:数学和计算算法开发建模、仿真和原型制作数据分析、探索和可视化科学和工程图形应用程序开发,包括图形用户界面构建MATLAB 是一个交互式系统,其基本数据元素是一个不需要维度的数组。这使您可以解决许多技术计算问题,尤其是那些具有矩阵和向量公式的问题,而只需用 C 或 Fortran 等标量非交互式语言编写程序所需的时间的一小部分。MATLAB 名称代表矩阵实验室。MATLAB 最初的编写目的是提供对由 LINPACK 和 EISPACK 项目开发的矩阵软件的轻松访问,这两个项目共同代表了矩阵计算软件的最新技术。MATLAB 经过多年的发展,得到了许多用户的投入。在大学环境中,它是数学、工程和科学入门和高级课程的标准教学工具。在工业领域,MATLAB 是高效研究、开发和分析的首选工具。MATLAB 具有一系列称为工具箱的特定于应用程序的解决方案。对于大多数 MATLAB 用户来说非常重要,工具箱允许您学习和应用专业技术。工具箱是 MATLAB 函数(M 文件)的综合集合,可扩展 MATLAB 环境以解决特定类别的问题。可用工具箱的领域包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波、仿真等。