Тестовые функции для оптимизации

В прикладной математике, тестовые функции, известные как искусственные ландшафты, являются полезными для оценки характеристик алгоритмов оптимизации, таких как:

Скорость сходимости.
Точность.
Робастность.
Общая производительность.

В статье представлены некоторые тестовые функции с целью дать представление о различных ситуациях, с которыми приходится сталкиваться при преодолении подобных проблем.

В статье представлены общая формула уравнения, участок целевой функции, границы переменных и координаты глобального минимума.

Тестовые функции для одной цели оптимизации

Название	Формула	Глобальный минимум	Метод поиска
Функция Растригина	$f(\mathbf {x} )=An+\sum _{i=1}^{n}\left[x_{i}^{2}-A\cos(2\pi x_{i})\right]$ ${\text{where: }}A=10$	$f(0,\dots ,0)=0$	$-5.12\leq x_{i}\leq 5.12$
Функция Экли^[англ.]	$f(x,y)=-20\exp \left[-0.2{\sqrt {0.5\left(x^{2}+y^{2}\right)}}\right]$ $-\exp \left[0.5\left(\cos(2\pi x)+\cos(2\pi y)\right)\right]+e+20$	$f(0,0)=0$	$-5\leq x,y\leq 5$
Функция сферы	$f({\boldsymbol {x}})=\sum _{i=1}^{n}x_{i}^{2}$	$f(x_{1},\dots ,x_{n})=f(0,\dots ,0)=0$	$-\infty \leq x_{i}\leq \infty$ , $1\leq i\leq n$
Функция Розенброка	$f({\boldsymbol {x}})=\sum _{i=1}^{n-1}\left[100\left(x_{i+1}-x_{i}^{2}\right)^{2}+\left(x_{i}-1\right)^{2}\right]$	${\text{Min}}={\begin{cases}n=2&\rightarrow \quad f(1,1)=0,\\n=3&\rightarrow \quad f(1,1,1)=0,\\n>3&\rightarrow \quad f(\underbrace {1,\dots ,1} _{n{\text{ times}}})=0\\\end{cases}}$	$-\infty \leq x_{i}\leq \infty$ , $1\leq i\leq n$
Функция Била	$f(x,y)=\left(1.5-x+xy\right)^{2}+\left(2.25-x+xy^{2}\right)^{2}$ $+\left(2.625-x+xy^{3}\right)^{2}$	$f(3,0.5)=0$	$-4.5\leq x,y\leq 4.5$
Функция Гольдшейна-Прайса	$f(x,y)=\left[1+\left(x+y+1\right)^{2}\left(19-14x+3x^{2}-14y+6xy+3y^{2}\right)\right]$ $\left[30+\left(2x-3y\right)^{2}\left(18-32x+12x^{2}+48y-36xy+27y^{2}\right)\right]$	$f(0,-1)=3$	$-2\leq x,y\leq 2$
Функция Бута	$f(x,y)=\left(x+2y-7\right)^{2}+\left(2x+y-5\right)^{2}$	$f(1,3)=0$	$-10\leq x,y\leq 10$
Функция Букина N 6	$f(x,y)=100{\sqrt {\left\|y-0.01x^{2}\right\|}}+0.01\left\|x+10\right\|.\quad$	$f(-10,1)=0$	$-15\leq x\leq -5$ , $-3\leq y\leq 3$
Функция Матьяса	$f(x,y)=0.26\left(x^{2}+y^{2}\right)-0.48xy$	$f(0,0)=0$	$-10\leq x,y\leq 10$
Функция Леви N 13	$f(x,y)=\sin ^{2}3\pi x+\left(x-1\right)^{2}\left(1+\sin ^{2}3\pi y\right)$ $+\left(y-1\right)^{2}\left(1+\sin ^{2}2\pi y\right)$	$f(1,1)=0$	$-10\leq x,y\leq 10$
Функция Химмельблау	$f(x,y)=(x^{2}+y-11)^{2}+(x+y^{2}-7)^{2}.\quad$	${\text{Min}}={\begin{cases}f\left(3.0,2.0\right)&=0.0\\f\left(-2.805118,3.131312\right)&=0.0\\f\left(-3.779310,-3.283186\right)&=0.0\\f\left(3.584428,-1.848126\right)&=0.0\\\end{cases}}$	$-5\leq x,y\leq 5$
Функция трехгорбого верблюда	$f(x,y)=2x^{2}-1.05x^{4}+{\frac {x^{6}}{6}}+xy+y^{2}$	$f(0,0)=0$	$-5\leq x,y\leq 5$
Функция Изома	$f(x,y)=-\cos \left(x\right)\cos \left(y\right)\exp \left(-\left(\left(x-\pi \right)^{2}+\left(y-\pi \right)^{2}\right)\right)$	$f(\pi ,\pi )=-1$	$-100\leq x,y\leq 100$
Функция "крест на подносе" (Cross-in-tray function)	$f(x,y)=-0.0001\left[\left\|\sin x\sin y\exp \left(\left\|100-{\frac {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}{\pi }}\right\|\right)\right\|+1\right]^{0.1}$	${\text{Min}}={\begin{cases}f\left(1.34941,-1.34941\right)&=-2.06261\\f\left(1.34941,1.34941\right)&=-2.06261\\f\left(-1.34941,1.34941\right)&=-2.06261\\f\left(-1.34941,-1.34941\right)&=-2.06261\\\end{cases}}$	$-10\leq x,y\leq 10$
Функция "подставка для яиц" (Eggholder function)	$f(x,y)=-\left(y+47\right)\sin {\sqrt {\left\|{\frac {x}{2}}+\left(y+47\right)\right\|}}-x\sin {\sqrt {\left\|x-\left(y+47\right)\right\|}}$	$f(512,404.2319)=-959.6407$	$-512\leq x,y\leq 512$
Табличная функция Хольдера	$f(x,y)=-\left\|\sin x\cos y\exp \left(\left\|1-{\frac {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}{\pi }}\right\|\right)\right\|$	${\text{Min}}={\begin{cases}f\left(8.05502,9.66459\right)&=-19.2085\\f\left(-8.05502,9.66459\right)&=-19.2085\\f\left(8.05502,-9.66459\right)&=-19.2085\\f\left(-8.05502,-9.66459\right)&=-19.2085\end{cases}}$	$-10\leq x,y\leq 10$
Функция МакКормика	$f(x,y)=\sin \left(x+y\right)+\left(x-y\right)^{2}-1.5x+2.5y+1$	$f(-0.54719,-1.54719)=-1.9133$	$-1.5\leq x\leq 4$ , $-3\leq y\leq 4$
Функция Шаффера N2	$f(x,y)=0.5+{\frac {\sin ^{2}\left(x^{2}-y^{2}\right)-0.5}{\left[1+0.001\left(x^{2}+y^{2}\right)\right]^{2}}}$	$f(0,0)=0$	$-100\leq x,y\leq 100$
Функция Шаффера N4	$f(x,y)=0.5+{\frac {\cos ^{2}\left[\sin \left(\left\|x^{2}-y^{2}\right\|\right)\right]-0.5}{\left[1+0.001\left(x^{2}+y^{2}\right)\right]^{2}}}$	$f(0,1.25313)=0.292579$	$-100\leq x,y\leq 100$
Функция Стыбинского-Танга	$f({\boldsymbol {x}})={\frac {\sum _{i=1}^{n}x_{i}^{4}-16x_{i}^{2}+5x_{i}}{2}}$	$-39.16617n<f(\underbrace {-2.903534,\ldots ,-2.903534} _{n{\text{ times}}})<-39.16616n$	$-5\leq x_{i}\leq 5$ , $1\leq i\leq n$ ..

Тестовые функции для условной оптимизации

Название	Формула	Глобальный минимум	Метод поиска
функция Розенброка, ограничена кубической и прямой^[1]	$f(x,y)=(1-x)^{2}+100(y-x^{2})^{2}$ , subjected to: $(x-1)^{3}-y+1<0{\text{ and }}x+y-2<0$	$f(1.0,1.0)=0$	$-1.5\leq x\leq 1.5$ , $-0.5\leq y\leq 2.5$
Функция Розенброка, ограниченная диском^[2]	$f(x,y)=(1-x)^{2}+100(y-x^{2})^{2}$ , subjected to: $x^{2}+y^{2}<2$	$f(1.0,1.0)=0$	$-1.5\leq x\leq 1.5$ , $-1.5\leq y\leq 1.5$
Ограниченная функция Мишры-Бёрда^[3]^[4]	$f(x,y)=\sin(y)e^{\left[(1-\cos x)^{2}\right]}+\cos(x)e^{\left[(1-\sin y)^{2}\right]}+(x-y)^{2}$ , subjected to: $(x+5)^{2}+(y+5)^{2}<25$	$f(-3.1302468,-1.5821422)=-106.7645367$	$-10\leq x\leq 0$ , $-6.5\leq y\leq 0$
Модифицированная функция Таусенда^[5]	$f(x,y)=-[\cos((x-0.1)y)]^{2}-x\sin(3x+y)$ , subjected to: $x^{2}+y^{2}<\left[2\cos t-{\frac {1}{2}}\cos 2t-{\frac {1}{4}}\cos 3t-{\frac {1}{8}}\cos 4t\right]^{2}+[2\sin t]^{2}$ where: t = Atan2(x,y)	$f(2.0052938,1.1944509)=-2.0239884$	$-2.25\leq x\leq 2.5$ , $-2.5\leq y\leq 1.75$
Функция Симионеску^[6]	$f(x,y)=0.1xy$ , subjected to: $x^{2}+y^{2}\leq \left[r_{T}+r_{S}\cos \left(n\arctan {\frac {x}{y}}\right)\right]^{2}$ ${\text{where: }}r_{T}=1,r_{S}=0.2{\text{ and }}n=8$	$f(\pm 0.85586214,\mp 0.85586214)=-0.072625$	$-1.25\leq x,y\leq 1.25$

Тестовые функции для многокритериальной оптимизации

Название / Рисунок	Формула	Минимум	Область поиска
Функция Бина и Корна	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=4x^{2}+4y^{2}\\f_{2}\left(x,y\right)&=\left(x-5\right)^{2}+\left(y-5\right)^{2}\\\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left(x,y\right)&=\left(x-5\right)^{2}+y^{2}\leq 25\\g_{2}\left(x,y\right)&=\left(x-8\right)^{2}+\left(y+3\right)^{2}\geq 7.7\\\end{cases}}$	$0\leq x\leq 5$ , $0\leq y\leq 3$
Chakong and Haimes function	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=2+\left(x-2\right)^{2}+\left(y-1\right)^{2}\\f_{2}\left(x,y\right)&=9x-\left(y-1\right)^{2}\\\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left(x,y\right)&=x^{2}+y^{2}\leq 225\\g_{2}\left(x,y\right)&=x-3y+10\leq 0\\\end{cases}}$	$-20\leq x,y\leq 20$
Функция Фонсеки и Флеминга	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1-\exp \left(-\sum _{i=1}^{n}\left(x_{i}-{\frac {1}{\sqrt {n}}}\right)^{2}\right)\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1-\exp \left(-\sum _{i=1}^{n}\left(x_{i}+{\frac {1}{\sqrt {n}}}\right)^{2}\right)\\\end{cases}}$		$-4\leq x_{i}\leq 4$ , $1\leq i\leq n$
Test function 4	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=x^{2}-y\\f_{2}\left(x,y\right)&=-0.5x-y-1\\\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left(x,y\right)&=6.5-{\frac {x}{6}}-y\geq 0\\g_{2}\left(x,y\right)&=7.5-0.5x-y\geq 0\\g_{3}\left(x,y\right)&=30-5x-y\geq 0\\\end{cases}}$	$-7\leq x,y\leq 4$
Функция Курсаве	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=\sum _{i=1}^{2}\left[-10\exp \left(-0.2{\sqrt {x_{i}^{2}+x_{i+1}^{2}}}\right)\right]\\&\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=\sum _{i=1}^{3}\left[\left\|x_{i}\right\|^{0.8}+5\sin \left(x_{i}^{3}\right)\right]\\\end{cases}}$		$-5\leq x_{i}\leq 5$ , $1\leq i\leq 3$ .
Schaffer function N. 1	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x\right)&=x^{2}\\f_{2}\left(x\right)&=\left(x-2\right)^{2}\\\end{cases}}$		$-A\leq x\leq A$ . Values of $A$ form $10$ to $10^{5}$ have been used successfully. Higher values of $A$ increase the difficulty of the problem.
Schaffer function N. 2	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x\right)&={\begin{cases}-x,&{\text{if }}x\leq 1\\x-2,&{\text{if }}1<x\leq 3\\4-x,&{\text{if }}3<x\leq 4\\x-4,&{\text{if }}x>4\\\end{cases}}\\f_{2}\left(x\right)&=\left(x-5\right)^{2}\\\end{cases}}$		$-5\leq x\leq 10$ .
Объективная функция Полони2	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=\left[1+\left(A_{1}-B_{1}\left(x,y\right)\right)^{2}+\left(A_{2}-B_{2}\left(x,y\right)\right)^{2}\right]\\f_{2}\left(x,y\right)&=\left(x+3\right)^{2}+\left(y+1\right)^{2}\\\end{cases}}$ ${\text{where}}={\begin{cases}A_{1}&=0.5\sin \left(1\right)-2\cos \left(1\right)+\sin \left(2\right)-1.5\cos \left(2\right)\\A_{2}&=1.5\sin \left(1\right)-\cos \left(1\right)+2\sin \left(2\right)-0.5\cos \left(2\right)\\B_{1}\left(x,y\right)&=0.5\sin \left(x\right)-2\cos \left(x\right)+\sin \left(y\right)-1.5\cos \left(y\right)\\B_{2}\left(x,y\right)&=1.5\sin \left(x\right)-\cos \left(x\right)+2\sin \left(y\right)-0.5\cos \left(y\right)\end{cases}}$		$-\pi \leq x,y\leq \pi$
Функция Зистера-Дьеба-Тери N. 1	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=x_{1}\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=g\left({\boldsymbol {x}}\right)h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\\g\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1+{\frac {9}{29}}\sum _{i=2}^{30}x_{i}\\h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)&=1-{\sqrt {\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}}\\\end{cases}}$		$0\leq x_{i}\leq 1$ , $1\leq i\leq 30$ .
Функция Зистера-Дьеба-Тери N. 2	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=x_{1}\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=g\left({\boldsymbol {x}}\right)h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\\g\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1+{\frac {9}{29}}\sum _{i=2}^{30}x_{i}\\h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)&=1-\left({\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}\right)^{2}\\\end{cases}}$		$0\leq x_{i}\leq 1$ , $1\leq i\leq 30$ .
Функция Зистера-Дьеба-Териn N. 3	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=x_{1}\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=g\left({\boldsymbol {x}}\right)h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\\g\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1+{\frac {9}{29}}\sum _{i=2}^{30}x_{i}\\h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)&=1-{\sqrt {\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}}-\left({\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}\right)\sin \left(10\pi f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\end{cases}}$		$0\leq x_{i}\leq 1$ , $1\leq i\leq 30$ .
Функция Зистера-Дьеба-ТериN. 4	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=x_{1}\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=g\left({\boldsymbol {x}}\right)h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\\g\left({\boldsymbol {x}}\right)&=91+\sum _{i=2}^{10}\left(x_{i}^{2}-10\cos \left(4\pi x_{i}\right)\right)\\h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)&=1-{\sqrt {\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}}\end{cases}}$		$0\leq x_{1}\leq 1$ , $-5\leq x_{i}\leq 5$ , $2\leq i\leq 10$
Функция Зистера-Дьеба-Тери N. 6	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1-\exp \left(-4x_{1}\right)\sin ^{6}\left(6\pi x_{1}\right)\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=g\left({\boldsymbol {x}}\right)h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)\\g\left({\boldsymbol {x}}\right)&=1+9\left[{\frac {\sum _{i=2}^{10}x_{i}}{9}}\right]^{0.25}\\h\left(f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right),g\left({\boldsymbol {x}}\right)\right)&=1-\left({\frac {f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)}{g\left({\boldsymbol {x}}\right)}}\right)^{2}\\\end{cases}}$		$0\leq x_{i}\leq 1$ , $1\leq i\leq 10$ .
Функция Виннета	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=0.5\left(x^{2}+y^{2}\right)+\sin \left(x^{2}+y^{2}\right)\\f_{2}\left(x,y\right)&={\frac {\left(3x-2y+4\right)^{2}}{8}}+{\frac {\left(x-y+1\right)^{2}}{27}}+15\\f_{3}\left(x,y\right)&={\frac {1}{x^{2}+y^{2}+1}}-1.1\exp \left(-\left(x^{2}+y^{2}\right)\right)\\\end{cases}}$		$-3\leq x,y\leq 3$ .
Функция Осызки и Кунду	$F_{1}(x)=-25\left(x_{1}-2\right)^{2}-\left(x_{2}-2\right)^{2}$ $-\left(x_{3}-1\right)^{2}-\left(x_{4}-4\right)^{2}-\left(x_{5}-1\right)^{2}$ ${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=F_{1}(x)\\f_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=\sum _{i=1}^{6}x_{i}^{2}\\\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=x_{1}+x_{2}-2\geq 0\\g_{2}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=6-x_{1}-x_{2}\geq 0\\g_{3}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=2-x_{2}+x_{1}\geq 0\\g_{4}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=2-x_{1}+3x_{2}\geq 0\\g_{5}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=4-\left(x_{3}-3\right)^{2}-x_{4}\geq 0\\g_{6}\left({\boldsymbol {x}}\right)&=\left(x_{5}-3\right)^{2}+x_{6}-4\geq 0\end{cases}}$	$0\leq x_{1},x_{2},x_{6}\leq 10$ , $1\leq x_{3},x_{5}\leq 5$ , $0\leq x_{4}\leq 6$ .
CTP1 function (2 variables)	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=x\\f_{2}\left(x,y\right)&=\left(1+y\right)\exp \left(-{\frac {x}{1+y}}\right)\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left(x,y\right)&={\frac {f_{2}\left(x,y\right)}{0.858\exp \left(-0.541f_{1}\left(x,y\right)\right)}}\geq 1\\g_{1}\left(x,y\right)&={\frac {f_{2}\left(x,y\right)}{0.728\exp \left(-0.295f_{1}\left(x,y\right)\right)}}\geq 1\end{cases}}$	$0\leq x,y\leq 1$ .
Проблема Констр-Экса	${\text{Minimize}}={\begin{cases}f_{1}\left(x,y\right)&=x\\f_{2}\left(x,y\right)&={\frac {1+y}{x}}\\\end{cases}}$	${\text{s.t.}}={\begin{cases}g_{1}\left(x,y\right)&=y+9x\geq 6\\g_{1}\left(x,y\right)&=-y+9x\geq 1\\\end{cases}}$	$0.1\leq x\leq 1$ , $0\leq y\leq 5$

См. также

Литература

Пантелеев А. В., Метлицкая Д. В., Е.А. Алешина Методы глобальной оптимизации. Метаэвристические стратегии и алгоритмы // М.: Вузовская книга. 2013. 244 с. ISBN 978-5-9502-0743-3
Сергиенко А. Б. Тестовые функции для глобальной оптимизации.

Ссылки

Тестирование алгоритмов многомерной оптимизации

Примечания

↑ Simionescu, P.A. (September 29 - October 2, 2002). New Concepts in Graphic Visualization of Objective Functions (PDF). ASME 2002 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. Montreal, Canada. pp. 891–897. Архивировано (PDF) 8 января 2017. Дата обращения: 7 января 2017.{{cite conference}}: Википедия:Обслуживание CS1 (формат даты) (ссылка)
↑ Solve a Constrained Nonlinear Problem - MATLAB & Simulink (неопр.). www.mathworks.com. Дата обращения: 29 августа 2017. Архивировано 29 августа 2017 года.
↑ Bird Problem (Constrained) | Phoenix Integration (неопр.). Дата обращения: 29 августа 2017. Архивировано из оригинала 29 декабря 2016 года.
↑ Mishra, Sudhanshu. Some new test functions for global optimization and performance of repulsive particle swarm method (англ.) // MPRA Paper : journal. — 2006. Архивировано 4 ноября 2018 года.
↑ Townsend, Alex. Constrained optimization in Chebfun (неопр.). chebfun.org (январь 2014). Дата обращения: 29 августа 2017. Архивировано 29 августа 2017 года.
↑ Simionescu, P.A. Computer Aided Graphing and Simulation Tools for AutoCAD Users (англ.). — 1st. — Boca Raton, FL: CRC Press, 2014. — ISBN 978-1-4822-5290-3.