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Explain and annotate matlab code in detail

liuxi123shen 注册会员
2023-02-28 11:47

This answer quotes ChatGPT

That long

function [xf, S, cnt] = SAM_LMF(varargin)
% SAM_LMF:使用最小二乘法解一组非线性方程,返回最终的解近似值、残差平方和以及迭代次数。
%
% 语法:
% [xf, S, cnt] = SAM_LMF(fcn, x0)
% [xf, S, cnt] = SAM_LMF(fcn, x0, 'Display', d)
% [xf, S, cnt] = SAM_LMF(fcn, x0, 'MaxIter', mi)
% [xf, S, cnt] = SAM_LMF(fcn, x0, 'Display', d, 'MaxIter', mi)
%
% 输入参数:
% fcn - 一个函数句柄,输入为一个向量 x,返回一个与输入具有相同维度的残差向量。
%       该函数必须定义为输出与输入具有相同的维度。
% x0  - 解的初始猜测。
%
% 可选输入参数:
% Display - 整数标量。如果 Display 大于等于 1,则算法会在每次迭代时打印迭代次数、
%           残差平方和以及步长向量的 2-范数。
%           如果 Display 大于 max(1,ceil(MaxIter/10)),则算法还会在每次迭代时绘制
%           残差平方和随迭代次数的变化曲线。
% MaxIter - 整数标量,最大迭代次数。
%
% 输出参数:
% xf  - 最终的解近似值。
% S   - 残差平方和。
% cnt - 迭代次数。如果算法没有收敛,则 cnt 为 -MaxIter。
%
% 示例:
% Rosenbrock 山谷内有一个单位直径的圆。
% R  = @(x) sqrt(x'*x)-.5;    % 与半径 r=0.5 的距离
% ros= @(x) [ 10*(x(2)-x(1)^2); 1-x(1); (R(x)>0)*R(x)*1000];
% [x,ssq,cnt]=SAM_LMF(ros,[-1.2,1],'Display',1,'MaxIter',50)
% 返回 x = [0.4556; 0.2059],ssq = 0.2966,cnt = 18
%
% 注意:对于没有实现匿名函数的旧版本 MATLAB (<7) 的用户,应使用具有残差的命名函数来调用 SAM_LMF。
% 对于上面的示例,可以使用以下函数进行调用:
% [x,ssq,cnt]=SAM_LMF('rosen',[-1.2,1]);
% 其中 rosen.m 函数形式为
% function r = rosen(x)
%% Rosenbrock 山谷带约束
% R = sqrt(x(1)^2+x(2)^2)-.5;
%% 残差:
% r = [ 10*(x(2)-x(1)^2)  % 第一部分

% 判断输入参数是否为默认值或结构体数组或字符数组
if nargin==1 && strcmpi('default',varargin(1))
   xf.Display  = 0;         % 不打印迭代次数
   xf.MaxIter  = 100;       % 允许的最大迭代次数
   xf.ScaleD   = [];        % 自动缩放,D = diag(diag(J'*J))
   xf.FunTol   = 1e-7;      % 最终函数值的容差
   xf.XTol     = 1e-4;      % x解的差异的容差
   return
   
% 更新选项
elseif isstruct(varargin{1}) % 输入参数为结构体时
    if ~isfield(varargin{1},'Display') 
        error('Options Structure not correct for LMFsolve.')
    end
    xf=varargin{1};          % 选项
    for i=2:2:nargin-1
        name=varargin{i};    % 要更新的选项
        if ~ischar(name)
            error('Parameter Names Must be Strings.')
        end
        name=lower(name(isletter(name)));
        value=varargin{i+1}; % 选项的值  
        if strncmp(name,'d',1), xf.Display  = value;
        elseif strncmp(name,'f',1), xf.FunTol   = value(1);
        elseif strncmp(name,'x',1), xf.XTol     = value(1);
        elseif strncmp(name,'m',1), xf.MaxIter  = value(1);
        elseif strncmp(name,'s',1), xf.ScaleD   = value;
        else   disp(['Unknown Parameter Name --> ' name])
        end
    end
    return
% 对选项进行配对
elseif ischar(varargin{1})   % 输入字符数组时
   Pnames=char('display','funtol','xtol','maxiter','scaled');
   if strncmpi(varargin{1},Pnames,length(varargin{1}))
      xf=SAM_LMF('default'); % 获取默认值
      xf=SAM_LMF(xf,varargin{:});
      return
   end
end
 
% 获取函数句柄
FUN=varargin{1};
if ~(isvarname(FUN) || isa(FUN,'function_handle'))
   error('FUN Must be a Function Handle or M-file Name.')
end
 
% 获取初始猜测
xc=varargin{2};
% 处理输入参数
if nargin>2 % OPTIONS
    if isstruct(varargin{3}) % 输入三个参数时,options为第三个参数
        options=varargin{3};
    else
        if ~exist('options','var')
            options = SAM_LMF('default');
        end
        for i=3:2:size(varargin,2)-1 % 解析选项和选项值
            options=SAM_LMF(options, varargin{i},varargin{i+1});
        end
    end
else % 输入两个参数
    if ~exist('options','var') % 检查第二个输出参数的变量是否存在
        options = SAM_LMF('default');
    end
end
x  = xc(:);  % 将 xc 内的数据转化为列向量
lx = length(x);
 
r  = feval(FUN,x);             % 在起始点处计算残差
% ~~~~~~~~~~~~~~~~~
S  = r'*r;
epsx = options.XTol(:);
epsf = options.FunTol(:);
if length(epsx)ones(lx,1); end
J = finjac(FUN,r,x,epsx);
% ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
nfJ = 2;
A = J.'*J;                    % 系统矩阵
v = J.'*r;
 
D = options.ScaleD;
if isempty(D)
    D = diag(diag(A));        % 自动缩放
    for i = 1:lx
        if D(i,i)==0, D(i,i)=1; end
    end
else
    if numel(D)>1
        D = diag(sqrt(abs(D(1:lx)))); % 向量类型的缩放
    else
        D = sqrt(abs(D))*eye(lx);     % 标量类型的缩放
    end
end
Rlo = 0.25; 
Rhi = 0.75;
l=1;      lc=.75;     is=0;
cnt = 0;
ipr = options.Display;
printit(ipr,-1);                % 打印表头
d = options.XTol;               % 第一次循环的向量
maxit = options.MaxIter;        % 允许的最大迭代次数
 
% 主迭代循环
while cntabs(d) >= epsx) && ...      
    any(abs(r) >= epsf)
    d  = (A+l*D)\v;             % 负解增量
    xd = x-d;
    rd = feval(FUN,xd);
    % ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
    nfJ = nfJ+1;
    Sd = rd.'*rd;
    dS = d.'*(2*v-A*d);         % 预计的减小量
 
    R  = (S-Sd)/dS;
    if R>Rhi                    % 如果 R 值过高,则减半 l
        l = l/2;
        if l0; end
    elseif R% 如果 R 值过低,则重新计算 nu
        nu = (Sd-S)/(d.'*v)+2;
        if nu<2
            nu = 2;
        elseif nu>10
            nu = 10;
        end
        l = nu*l;
        if l>lc, l=lc; end
    else
        is = is+1;
        l  = l*max(1/3,1-(2*R-1)^3);
    end
    x  = xd; r  = rd;           % 更新 x 和 r
    S  = Sd;                    % 更新残差平方和
    cnt= cnt+1;                 % 更新迭代次数
    printit(ipr,cnt)            % 打印当前结果
end
if cnt>=maxit
   cnt = -cnt;
end
xf  = x;                       % 最终结果近似
S   = S;                       % 残差平方和
cnt = abs(cnt);                % 迭代次数
if cnt==maxit, cnt=-cnt; end   % 迭代不收敛
if l==0
    lc = 1/max(abs(diag(inv(A))));   % 计算新的 lambda 的上限
    l  = lc;                         % 设置 l 为 lc
    nu = nu/2;                       % 更新 nu
end
l = nu*l;

cnt = cnt+1;
if ipr~=0 && (rem(cnt,ipr)==0 || cnt==1) % 是否打印迭代结果
    printit(ipr,cnt,nfJ,S,x,d,l,lc)
end

if Sd% 计算新的 Jacobian 矩阵
    % ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
    nfJ = nfJ+1;
    A = J'*J;       
    v = J'*r;
end
end % while
 
xf = x;                                 % 最终结果
if cnt==maxit
    cnt = -cnt;                         % 达到最大迭代次数
end

rd = feval(FUN,xf);
nfJ = nfJ+1;
Sd = rd.'*rd;
if ipr, disp(' '), end
printit(ipr,cnt,nfJ,Sd,xf,d,l,lc)         % 打印最终结果
function J = finjac(FUN,r,x,epsx)
% FINJAC    numerical approximation to Jacobi matrix
% 计算函数 FUN 在点 x 处的 Jacobian 矩阵的数值近似
% FUN: 函数句柄
% r:   函数 FUN 的残差向量,大小为 mx1
% x:   代表输入参数的列向量,大小为 lx1
% epsx: 一个标量或大小与 x 相同的列向量,代表函数 FUN 在 x 点的数值微分步长
% 返回值:
% J:   Jacobian 矩阵的数值近似,大小为 mxl
lx=length(x);
J=zeros(length(r),lx);
for k=1:lx
    dx=.25*epsx(k);              % 小增量
    xd=x;
    xd(k)=xd(k)+dx;
    rd=feval(FUN,xd);
    % 计算数值近似的 Jacobian 矩阵
    J(:,k)=((rd-r)/dx);          
end

function printit(ipr,cnt,res,SS,x,dx,l,lc)
% PRINTIT  Printing of intermediate results
% 打印迭代过程中的结果
% ipr <  0  不打印 lambda 列
%      =  0  不打印任何内容
%      >  0  每隔 (ipr) 次打印一次
% cnt = -1  打印表头
%         0  打印第二行的结果
%        >0  打印第一行的结果
if ipr~=0
   if cnt<0                      % 表头
      disp('')
      disp(char('*'*ones(1,75)))
      fprintf('  itr  nfJ   SUM(r^2)        x           dx');
      if ipr>0
          fprintf('           l           lc');
      end
      fprintf('\n');
      disp(char('*'*ones(1,75)))
      disp('')
   else                          % 打印每次迭代结果
      if rem(cnt,ipr)==0
          f='%12.4e ';
          if ipr>0
             fprintf(['%4.0f %4.0f ' f f f f f '\n'],...
                 cnt,res,SS, x(1),dx(1),l,lc);
          else
             fprintf(['%4.0f %4.0f ' f f f '\n'],...
                 cnt,res,SS, x(1),dx(1));
          end
          for k=2:length(x)
             fprintf([blanks(23) f f '\n'],x(k),dx(k));
          end
      end
   end
end

diamondsuper 注册会员
2023-02-28 11:47
< div class = "md_content_show e397 data - v - 3967" = "" >

the reference answer GPT ᴼ ᴾ ᴱ ᴺ ᴬ ᴵ < br / > in the end, the function is used for printing of an interim result of a iterative process based on the input parameters.

function printit(ipr,cnt,res,SS,x,dx,l,lc)


The input parameters to this function are as follows:

ipr: an integer that controls the print interval. Eg. When No $\lambda$column is printed when 0, no information is printed when ipr=0, no information is printed when ipr> 0 is printed every ipr iteration.
cnt: The number of current iterations. If it is negative, the header of the table is printed; if it is 0, the result of the second row is printed; if it is greater than 0, the result of the first row is printed.
res: The current error.
SS: sum of the squares of the current error.
x: The value of the current argument.
dx: A small increment of the current argument.
l: The current value of $\lambda$.
lc: The current value of $\lambda_c$.

if cnt<0                 %   table header
   disp('')
   disp(char('*'*ones(1,75)))
   fprintf('  itr  nfJ   SUM(r^2)        x           dx');
   if ipr>0
       fprintf('           l           lc');
   end
   fprintf('\n');
   disp(char('*'*ones(1,75)))
   disp('')
else                     %   iteration output
   if rem(cnt,ipr)==0
       f='%12.4e ';
       if ipr>0
          fprintf(['%4.0f %4.0f ' f f f f f '\n'],...
              cnt,res,SS, x(1),dx(1),l,lc);
       else
          fprintf(['%4.0f %4.0f ' f f f '\n'],...
              cnt,res,SS, x(1),dx(1));
       end
       for k=2:length(x)
          fprintf([blanks(23) f f '\n'],x(k),dx(k));

When... When 0, the table header information is printed. The disp function is used to print newline characters, the char function is used to generate a string of 75 asterisks, and the fprintf function is used to print table headers in the format if ipr> 0, you also need to print the $\lambda$column.

When cnt> =0, the iteration result is printed according to the given ipr parameter. rem(cnt,ipr) is used to determine whether the current iteration result needs to be printed. f='%12.4e 'is used to specify the printing format of the floating-point number. fprintf is used to print the result in the format. If you have more than one argument, you need to print the value of the current argument and the small increment in the first column. The blanks function is used to add an appropriate amount of blanks before the first column to align the other columns.

donglei55 注册会员
2023-02-28 11:47

the reference answer GPT ᴼ ᴾ ᴱ ᴺ ᴬ ᴵ < br / > the MATLAB code implements a function SAM_LMF, use least square method to solve a nonlinear problem. Here is a detailed explanation of the code:

function [xf, S, cnt] = SAM_LMF(varargin)
% 用最小二乘法解线性方程组,其中 xf 为最终的解,S 为残差平方和,cnt 为迭代次数。


SAM_LMF is a function that takes a number of different input and output parameters.

if nargin==1 && strcmpi('default',varargin(1))
    % 如果输入参数是字符串 'default',那么输出默认参数值,不执行后续代码
    xf.Display  = 0;         % 不显示迭代信息
    xf.MaxIter  = 100;       % 最大迭代次数
    xf.ScaleD   = [];        % 没有自动缩放选项
    xf.FunTol   = 1e-7;      % 最终函数值的容差
    xf.XTol     = 1e-4;      % x 解的容差
    return


If the input argument is 'default', then the function will output some default arguments. These parameters are stored in a structure called xf. They include:

  • Display: A value indicating whether to display iteration information. 0 indicates no display, and 1 indicates display.
  • MaxIter: A value indicating the maximum number of iterations.
  • ScaleD: an array of values indicating whether the auto scaling option is to be used.
  • FunTol: A number representing the tolerance of the final function value.
  • XTol: A number representing the tolerance of the x solution.
elseif isstruct(varargin{1})
    % 如果第一个输入参数是结构体,那么更新参数
    if ~isfield(varargin{1},'Display')
        error('Options Structure not correct for LMFsolve.')
    end
    xf=varargin{1};          % 存储输入的参数
    for i=2:2:nargin-1       % 循环处理选项-值对
        name=varargin{i};    % 选项名称
        if ~ischar(name)
            error('Parameter Names Must be Strings.')
        end
        name=lower(name(isletter(name)));  % 去掉空格和非字母字符
        value=varargin{i+1}; % 选项的值
        if strncmp(name,'d',1), xf.Display  = value;
        elseif strncmp(name,'f',1), xf.FunTol   = value(1);
        elseif strncmp(name,'x',1), xf.XTol     = value(1);
        elseif strncmp(name,'m',1), xf.MaxIter  = value(1);
        elseif strncmp(name,'s',1), xf.ScaleD   = value;
        else   disp(['Unknown Parameter Name --> ' name])
        end
    end
    return


Computes numerical approximations to Jacobi matrices. The input parameters to this function are as follows:

FUN: A function handle representing a vector function with input parameter x whose output is the vector r, i.e. $r = FUN(x)$.
r: vector representing the function value of FUN at the point x, i.e. $r = FUN(x)$.
x: vector representing the argument to the function FUN.
epsx: Vector representing a small increment for each element in the x vector. The output parameter J of the
function is a matrix representing the Jacobi matrix for the numerical approximation of FUN at x.

lx=length(x);
J=zeros(length(r),lx);


First, calculate the length lx of the input vector x, and then create an all-zero matrix J of size(length(r),lx).

for k=1:lx
    dx=.25*epsx(k);
    xd=x;
    xd(k)=xd(k)+dx;
    rd=feval(FUN,xd);

Next, for each argument x_k, compute the tiny increment dx, and then update the x vector with xd(k)=xd(k)+dx, generating a new vector xd with a tiny change. Then, the function FUN is called to calculate the function value rd at the vector xd.

J(:,k)=((rd-r)/dx);


At the end of each iteration, calculate the k-th column of the Jacobi matrix using the following formula:

< msub> < mi> J< /mi> < mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> < mi> i< /mi> < mo> ,< /mo> < mi> k< /mi> < /mrow> < /msub> < mo> =< /mo> < mfrac> < mrow> < mi mathvariant="normal"> & #x2202; < /mi> < msub> < mi> F< /mi> < mi> i< /mi> < /msub> < mo stretchy="false">(< /mo> < mi> x< /mi> < mo stretchy="false">) < /mo> < /mrow> < mrow> < mi mathvariant="normal"> & #x2202; < /mi> < msub> < mi> x< /mi> < mi> k< /mi> < /msub> < /mrow> < /mfrac> < mo> & #x2248; < /mo> < mfrac> < mrow> < msub> < mi> F< /mi> < mi> i< /mi> < /msub> < mo stretchy="false">(< /mo> < mi> x< /mi> < mo> +< /mo> < mi> d< /mi> < mi> x< /mi> < mo> & #x22C5; < /mo> < msub> < mi> e< /mi> < mi> k< /mi> < /msub> < mo stretchy="false">) < /mo> < mo> & #x2212; < /mo> < msub> < mi> F< /mi> < mi> i< /mi> < /msub> < mo stretchy="false">(< /mo> < mi> x< /mi> < mo stretchy="false">) < /mo> < /mrow> < mrow> < mi> d< /mi> < mi> x< /mi> < /mrow> < /mfrac> < /math> ' id="MathJax-Element-1-Frame" role="presentation" style="text-align: center; position: relative;" tabindex="0">