scipy.optimize.leastsq使用NaN调用目标函数

Question

我正在使用scipy.optimize.leastsq尝试在存在噪声的情况下将大量参数拟合到实际数据中.偶尔会从minpack中使用NaN调用目标函数.这是scipy.optimize.leastsq的预期行为吗？有没有比在这种情况下返回NaN残差更好的选择？

以下代码演示了该行为:

import scipy.optimize
import numpy as np

xF = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0]) # Target value for fit
NOISE_LEVEL = 1e-6 # The random noise level
RETURN_LEN = 1000  # The objective function return vector length

def func(x):
    if np.isnan(np.sum(x)):
        raise ValueError('Invalid x: %s' % x)
    v = np.random.rand(RETURN_LEN) * NOISE_LEVEL
    v[:len(x)] += xF - x
    return v

iteration = 0
while (1):
    iteration += 1
    x = np.zeros(len(xF))
    y, cov = scipy.optimize.leastsq(func, x)
    print('%04d %s' % (iteration, y))

雅可比人正在以数字方式计算.在生产代码中,优化通常有效,除非起始估计太好,表面非常平坦,并且噪声超过用于数值计算雅可比行列的增量.在这种情况下,目标函数的残差表现为随机噪声,如上面的代码示例,我不希望优化收敛.

在此代码示例中,小的NOISE_LEVEL值(<1e-10)始终收敛.在1e-6,ValueError通常在几百次尝试中抛出.

一种可能的解决方法是返回高度惩罚的残差(NaN或INF),例如:

v = np.empty(RETURN_LEN)
v.fill(np.nan)
return v

如果脏的话,这种解决方法似乎很有效.是否有更好的替代品或方法来预防NaNs？

在Windows 7上运行的Python 2.7.9 x32下观察到此行为.

Answer 1

由于您的问题定义在非线性问题(噪声)上使用线性求解器,因此解算器将会消失,除非噪声级别低于明显的阈值.

为了解决这个问题,您可以尝试使用非线性求解器.例如,使用broyden1求解算法而不是leastsq:

import scipy.optimize
import numpy as np

xF = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0]) # Target value for fit
NOISE_LEVEL = 1.e-6 # The random noise level
RETURN_LEN = 1000  # The objective function return vector length

def func(x):
    if np.isnan(np.sum(x)):
        raise ValueError('Invalid x: %s' % x)
    v = np.random.rand(RETURN_LEN) * NOISE_LEVEL

    v[:len(x)] += xF - x

    return v[:len(x)]

iteration = 0
while iteration < 10:
    iteration += 1
    x = np.random.rand(len(xF))
    y = scipy.optimize.broyden1(func, x)
    print('%04d %s' % (iteration, y))

作为输出返回:

0001 [ 1.00000092  2.00000068  3.00000051  4.00000097]
0002 [ 1.0000012   2.00000214  3.00000272  4.00000369]
0003 [ 0.99999991  1.99999931  2.99999815  3.9999978 ]
0004 [ 1.00000097  2.00000198  3.00000345  4.00000425]
0005 [ 1.00000047  1.99999983  2.99999938  3.99999922]
0006 [ 1.00000024  2.00000021  3.00000071  4.00000136]
0007 [ 1.00000116  2.00000102  3.00000225  4.00000357]
0008 [ 1.00000006  2.00000002  3.00000017  4.00000039]
0009 [ 1.0000002   2.00000034  3.00000062  4.00000051]
0010 [ 1.00000137  2.0000015   3.00000193  4.00000344]