]> SALOME platform Git repositories - modules/adao.git/blob - doc/en/ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization.rst
Salome HOME
9579eedf4219d0837223e1c47dbe8a4624ce4f31
[modules/adao.git] / doc / en / ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization.rst
1 ..
2    Copyright (C) 2008-2017 EDF R&D
3
4    This file is part of SALOME ADAO module.
5
6    This library is free software; you can redistribute it and/or
7    modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
8    License as published by the Free Software Foundation; either
9    version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
10
11    This library is distributed in the hope that it will be useful,
12    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
14    Lesser General Public License for more details.
15
16    You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
17    License along with this library; if not, write to the Free Software
18    Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307 USA
19
20    See http://www.salome-platform.org/ or email : webmaster.salome@opencascade.com
21
22    Author: Jean-Philippe Argaud, jean-philippe.argaud@edf.fr, EDF R&D
23
24 .. index:: single: DerivativeFreeOptimization
25 .. _section_ref_algorithm_DerivativeFreeOptimization:
26
27 Calculation algorithm "*DerivativeFreeOptimization*"
28 ----------------------------------------------------
29
30 .. warning::
31
32   in its present version, this algorithm is experimental, and so changes can be
33   required in forthcoming versions.
34
35 Description
36 +++++++++++
37
38 This algorithm realizes an estimation of the state of a system by minimization
39 of a cost function :math:`J` without gradient. It is a method that doesn't use
40 the derivatives of the cost function. It fall, for example, in the same category
41 than the :ref:`section_ref_algorithm_ParticleSwarmOptimization`.
42
43 This is an optimization method allowing for global minimum search of a general
44 error function :math:`J` of type :math:`L^1`, :math:`L^2` or :math:`L^{\infty}`,
45 with or without weights. The default error function is the augmented weighted
46 least squares function, classicaly used in data assimilation.
47
48 Optional and required commands
49 ++++++++++++++++++++++++++++++
50
51 .. index:: single: AlgorithmParameters
52 .. index:: single: Background
53 .. index:: single: BackgroundError
54 .. index:: single: Observation
55 .. index:: single: ObservationError
56 .. index:: single: ObservationOperator
57 .. index:: single: Minimizer
58 .. index:: single: MaximumNumberOfSteps
59 .. index:: single: MaximumNumberOfFunctionEvaluations
60 .. index:: single: StateVariationTolerance
61 .. index:: single: CostDecrementTolerance
62 .. index:: single: QualityCriterion
63 .. index:: single: StoreSupplementaryCalculations
64
65 The general required commands, available in the editing user interface, are the
66 following:
67
68   Background
69     *Required command*. This indicates the background or initial vector used,
70     previously noted as :math:`\mathbf{x}^b`. Its value is defined as a
71     "*Vector*" or a *VectorSerie*" type object.
72
73   BackgroundError
74     *Required command*. This indicates the background error covariance matrix,
75     previously noted as :math:`\mathbf{B}`. Its value is defined as a "*Matrix*"
76     type object, a "*ScalarSparseMatrix*" type object, or a
77     "*DiagonalSparseMatrix*" type object.
78
79   Observation
80     *Required command*. This indicates the observation vector used for data
81     assimilation or optimization, previously noted as :math:`\mathbf{y}^o`. It
82     is defined as a "*Vector*" or a *VectorSerie* type object.
83
84   ObservationError
85     *Required command*. This indicates the observation error covariance matrix,
86     previously noted as :math:`\mathbf{R}`. It is defined as a "*Matrix*" type
87     object, a "*ScalarSparseMatrix*" type object, or a "*DiagonalSparseMatrix*"
88     type object.
89
90   ObservationOperator
91     *Required command*. This indicates the observation operator, previously
92     noted :math:`H`, which transforms the input parameters :math:`\mathbf{x}` to
93     results :math:`\mathbf{y}` to be compared to observations
94     :math:`\mathbf{y}^o`. Its value is defined as a "*Function*" type object or
95     a "*Matrix*" type one. In the case of "*Function*" type, different
96     functional forms can be used, as described in the section
97     :ref:`section_ref_operator_requirements`. If there is some control :math:`U`
98     included in the observation, the operator has to be applied to a pair
99     :math:`(X,U)`.
100
101 The general optional commands, available in the editing user interface, are
102 indicated in :ref:`section_ref_assimilation_keywords`. Moreover, the parameters
103 of the command "*AlgorithmParameters*" allows to choose the specific options,
104 described hereafter, of the algorithm. See
105 :ref:`section_ref_options_Algorithm_Parameters` for the good use of this
106 command.
107
108 The options of the algorithm are the following:
109
110   Minimizer
111     This key allows to choose the optimization minimizer. The default choice is
112     "BOBYQA", and the possible ones are
113     "BOBYQA" (minimization with or without contraints by quadratic approximation [Powell09]_),
114     "COBYLA" (minimization with or without contraints by linear approximation [Powell94]_ [Powell98]_).
115     "NEWUOA" (minimization with or without contraints by iterative quadratic approximation [Powell04]_),
116     "POWELL" (minimization unconstrained using conjugate directions [Powell64]_),
117     "SIMPLEX" (minimization with or without contraints using Nelder-Mead simplex algorithm [Nelder65]_),
118     "SUBPLEX" (minimization with or without contraints using Nelder-Mead on a sequence of subspaces [Rowan90]_).
119     Remark: the "POWELL" method perform a dual outer/inner loops optimization,
120     leading then to less control on the cost function evaluation number because
121     it is the outer loop limit than is controled. If precise control on this
122     cost function evaluation number is required, choose an another minimizer.
123
124     Example : ``{"Minimizer":"BOBYQA"}``
125
126   MaximumNumberOfSteps
127     This key indicates the maximum number of iterations allowed for iterative
128     optimization. The default is 15000, which is very similar to no limit on
129     iterations. It is then recommended to adapt this parameter to the needs on
130     real problems. For some optimizers, the effective stopping step can be
131     slightly different of the limit due to algorithm internal control
132     requirements.
133
134     Example : ``{"MaximumNumberOfSteps":50}``
135
136   MaximumNumberOfFunctionEvaluations
137     This key indicates the maximum number of evaluation of the cost function to
138     be optimized. The default is 15000, which is an arbitrary limit. It is then
139     recommended to adapt this parameter to the needs on real problems. For some
140     optimizers, the effective number of function evaluations can be slightly
141     different of the limit due to algorithm internal control requirements.
142
143     Example : ``{"MaximumNumberOfFunctionEvaluations":50}``
144
145   StateVariationTolerance
146     This key indicates the maximum relative variation of the state for stopping
147     by convergence on the state.  The default is 1.e-4, and it is recommended to
148     adapt it to the needs on real problems.
149
150     Example : ``{"StateVariationTolerance":1.e-4}``
151
152   CostDecrementTolerance
153     This key indicates a limit value, leading to stop successfully the
154     iterative optimization process when the cost function decreases less than
155     this tolerance at the last step. The default is 1.e-7, and it is
156     recommended to adapt it to the needs on real problems.
157
158     Example : ``{"CostDecrementTolerance":1.e-7}``
159
160   QualityCriterion
161     This key indicates the quality criterion, minimized to find the optimal
162     state estimate. The default is the usual data assimilation criterion named
163     "DA", the augmented weighted least squares. The possible criteria has to be
164     in the following list, where the equivalent names are indicated by the sign
165     "=": ["AugmentedWeightedLeastSquares"="AWLS"="DA",
166     "WeightedLeastSquares"="WLS", "LeastSquares"="LS"="L2",
167     "AbsoluteValue"="L1", "MaximumError"="ME"].
168
169     Example : ``{"QualityCriterion":"DA"}``
170
171   StoreSupplementaryCalculations
172     This list indicates the names of the supplementary variables that can be
173     available at the end of the algorithm. It involves potentially costly
174     calculations or memory consumptions. The default is a void list, none of
175     these variables being calculated and stored by default. The possible names
176     are in the following list: ["CurrentState", "CostFunctionJ",
177     "CostFunctionJb", "CostFunctionJo", "CostFunctionJAtCurrentOptimum",
178     "CurrentOptimum", "IndexOfOptimum", "InnovationAtCurrentState", "BMA",
179     "OMA", "OMB", "SimulatedObservationAtBackground",
180     "SimulatedObservationAtCurrentOptimum",
181     "SimulatedObservationAtCurrentState", "SimulatedObservationAtOptimum"].
182
183     Example : ``{"StoreSupplementaryCalculations":["BMA", "Innovation"]}``
184
185 Information and variables available at the end of the algorithm
186 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
187
188 At the output, after executing the algorithm, there are variables and
189 information originating from the calculation. The description of
190 :ref:`section_ref_output_variables` show the way to obtain them by the method
191 named ``get`` of the variable "*ADD*" of the post-processing. The input
192 variables, available to the user at the output in order to facilitate the
193 writing of post-processing procedures, are described in the
194 :ref:`subsection_r_o_v_Inventaire`.
195
196 The unconditional outputs of the algorithm are the following:
197
198   Analysis
199     *List of vectors*. Each element is an optimal state :math:`\mathbf{x}*` in
200     optimization or an analysis :math:`\mathbf{x}^a` in data assimilation.
201
202     Example : ``Xa = ADD.get("Analysis")[-1]``
203
204   CostFunctionJ
205     *List of values*. Each element is a value of the error function :math:`J`.
206
207     Example : ``J = ADD.get("CostFunctionJ")[:]``
208
209   CostFunctionJb
210     *List of values*. Each element is a value of the error function :math:`J^b`,
211     that is of the background difference part.
212
213     Example : ``Jb = ADD.get("CostFunctionJb")[:]``
214
215   CostFunctionJo
216     *List of values*. Each element is a value of the error function :math:`J^o`,
217     that is of the observation difference part.
218
219     Example : ``Jo = ADD.get("CostFunctionJo")[:]``
220
221   CurrentState
222     *List of vectors*. Each element is a usual state vector used during the
223     optimization algorithm procedure.
224
225     Example : ``Xs = ADD.get("CurrentState")[:]``
226
227 The conditional outputs of the algorithm are the following:
228
229   SimulatedObservationAtBackground
230     *List of vectors*. Each element is a vector of observation simulated from
231     the background :math:`\mathbf{x}^b`.
232
233     Example : ``hxb = ADD.get("SimulatedObservationAtBackground")[-1]``
234
235   SimulatedObservationAtCurrentState
236     *List of vectors*. Each element is an observed vector at the current state,
237     that is, in the observation space.
238
239     Example : ``Ys = ADD.get("SimulatedObservationAtCurrentState")[-1]``
240
241   SimulatedObservationAtOptimum
242     *List of vectors*. Each element is a vector of observation simulated from
243     the analysis or optimal state :math:`\mathbf{x}^a`.
244
245     Example : ``hxa = ADD.get("SimulatedObservationAtOptimum")[-1]``
246
247 See also
248 ++++++++
249
250 References to other sections:
251   - :ref:`section_ref_algorithm_ParticleSwarmOptimization`
252
253 Bibliographical references:
254   - [Johnson08]_
255   - [Nelder65]_
256   - [Powell64]_
257   - [Powell94]_
258   - [Powell98]_
259   - [Powell04]_
260   - [Powell07]_
261   - [Powell09]_
262   - [Rowan90]_