Minimizar con un algoritmo significa proponer un movimiento, comprobar si mejora y repetir. La dirección indica hacia dónde; la longitud indica cuánto. Veremos por qué el negativo del gradiente orienta un paso corto, por qué un paso largo puede fallar y cómo Newton incorpora curvatura sin convertir automáticamente cualquier punto estacionario en un mínimo.
Si necesitas repasar:
1. Una dirección y una longitud forman juntas el paso
Escribimos x_nuevo=x+αp, con α>0. p es la dirección propuesta y α su longitud relativa a ese vector. Escalar p y compensar α puede producir el mismo desplazamiento. Para decidir si el movimiento mejora hay que evaluar la función en el nuevo punto, no solo observar el signo de una coordenada.
En esta lección minimizamos funciones diferenciables sin restricciones. Una frontera o un dominio limitado exige mantener las evaluaciones en la zona permitida, usar proyección u otro método adecuado. No se mueve libremente una variable que el modelo haya restringido.
Una buena orientación puede fallar por avanzar demasiado
f(x)=(x−1)², punto x=3, dirección p=−4.
Punto inicial
f(3)=4 y f′(3)=4; la derivada en dirección p vale 4·(−4)=−16<0.Paso corto
Con α=1/4, x_nuevo=2 y f=1, una mejora.Pasos mayores
Con α=1 llegamos a −1 y f=4; con α=2 llegamos a −5 y f=36, peor que al empezar.
Dirección de descenso significa mejora para pasos suficientemente pequeños.
No significa mejora para cualquier longitud positiva.
Las coordenadas por separado no deciden si el objetivo baja
f(x, y)=x²+2y², desde (1;1).
Gradiente
g=(2;4) y f inicial vale tres.Dirección p=(1;−1)
gᵀp=−2<0.Con α=0,1 llegamos a (1,1;0,9), cuyo valor es 1,21+1,62=2,83.Dirección q=(1;1)
gᵀq=6>0.Con el mismo α, el valor en (1,1;1,1) es 3,63.
Un aumento en una coordenada puede combinarse con un descenso total.
El producto gradiente-dirección mide el cambio inicial del objetivo completo.
2. El negativo del gradiente es el descenso inicial más pronunciado en norma euclídea
Entre vectores p de norma euclídea uno, Cauchy–Schwarz da gᵀp≥−‖g‖₂, alcanzado en p=−g/‖g‖₂. La afirmación compara movimientos con el mismo tamaño según una norma concreta.
Cambiar la norma o las escalas de las variables cambia qué movimientos se consideran igual de grandes. El gradiente euclídeo no es una dirección universalmente mejor bajo cualquier geometría. Si g=0, el argumento no produce descenso estricto y hay que estudiar el punto.
Calcular la dirección unitaria antes de elegir longitud
f(x, y)=3x+4y; su gradiente es (3;4).
Norma
‖g‖₂=√(9+16)=5.Dirección
p=(−3/5;−4/5) tiene norma uno y gᵀp=−9/5−16/5=−5.Desde el origen
Con α=1, el valor baja de cero a −5.Ningún otro vector euclídeo unitario da un descenso inicial mayor.
La comparación está normalizada por la longitud euclídea.
Se estudia la orientación inicial; esta función lineal no tiene mínimo en todo el plano.
Otra bola de movimientos produce otra dirección más pronunciada
Mismo gradiente, ahora permitimos ‖p‖∞≤1.
Dominio de direcciones
Cada coordenada de p está entre menos uno y uno.
Mínimo lineal
3p₁+4p₂ se minimiza poniendo ambas en −1: p=(−1;−1), valor −7.Comparar geometrías
Esta dirección tiene norma euclídea √2, no uno. El resultado no contradice el descenso máximo −5 para la bola euclídea.
La norma es parte del significado de paso del mismo tamaño.
No se comparan −7 y −5 como si los dos movimientos tuvieran igual longitud euclídea.
3. Una cota de suavidad permite justificar longitudes seguras
Si el gradiente es L-Lipschitz en la región utilizada, integrar su cambio a lo largo del segmento da f(x+d)≤f(x)+gᵀd+(L/2)‖d‖². En efecto, el resto es ∫₀¹[∇f(x+td)−g]ᵀd dt, acotado por ∫₀¹Lt‖d‖²dt. El segmento debe estar dentro de esa región.
Para 0<α<2/L es positiva si g≠0. α≤1/L ofrece una cota sencilla. La constante debe ser válida para la función y escala actuales: escoger siempre 0,1 no es una garantía general.
Comparar disminución garantizada y observada
f(x, y)=(x²+4y²)/2, punto (1;1), α=1/5.
Constante y gradiente
La Hessiana es diag(1;4), así L=4; g=(1;4), con norma al cuadrado diecisiete.
Actualizar
(1;1)−(1/5)(1;4)=(4/5;1/5).El valor baja de 5/2 a 2/5: disminuye 21/10.
Cota
α(1−Lα/2)‖g‖²=(1/5)(3/5)17=51/25=2,04≤2,1.
La mejora real supera la cota garantizada.
Se han usado las curvaturas y el gradiente de esta función, no los de otro ejemplo parecido.
Cambiar la escala del objetivo cambia la longitud segura
f(x)=50x², desde x=1.
Escala
g=100x y L=100.El intervalo de descenso garantizado es 0<α<0,02.Paso excesivo
Con α=0,1, x_nuevo=−9 y f=4050, frente a cincuenta al inicio.Paso acorde
Con α=0,01 llegamos a cero.En α=0,02 iríamos a −1, conservando el mismo valor sin disminución estricta.
La longitud depende de la escala de las derivadas.
La frontera 2/L no se presenta como una mejora estricta garantizada.
4. Armijo comprueba una reducción suficiente mediante retroceso
Para una dirección con gᵀp<0, Armijo pide f(x+αp)≤f(x)+cαgᵀp, con 0<c<1. El lado derecho exige una parte del descenso lineal previsto. Empezamos por una longitud y la multiplicamos por β∈(0,1) hasta cumplirla, evaluando solo dentro del dominio.
Como la dirección es estrictamente de descenso, el resto queda suficientemente pequeño para aceptar longitudes positivas pequeñas. Esto justifica terminación ideal bajo las hipótesis; límites de evaluación, dominio y precisión finita deben informarse si impiden aceptar, sin llamarlo convergencia.
Rechazar dos longitudes y aceptar la tercera
f(x)=x², x=1, p=−2, c=1/4 y retroceso β=1/2 desde α=2.
Datos
gᵀp=2·(−2)=−4, así el umbral es 1−α.Rechazos
α=2 lleva a −3, con f=9>−1. α=1 lleva a −1, con f=1>0.Aceptación
α=1/2 lleva a cero, con f=0≤1/2.La reducción suficiente se cumple.
No se acepta una longitud solo porque sea la primera propuesta.
Cada comparación vuelve a usar el valor inicial uno y la derivada direccional inicial −4.
Reducir la longitud no corrige una dirección de ascenso
f(x)=x², x=1, p=1, c=1/4.
Orientación
gᵀp=2>0: falla la hipótesis de dirección de descenso.Comparar
Para α>0, f(1+α)=1+2α+α², mientras el umbral formal sería 1+α/2.Conclusión
La diferencia 3α/2+α² es positiva para todo α>0; ningún retroceso ideal lo aceptaría.
Primero se revisa la dirección, después la longitud.
Una búsqueda que alcanza su límite de intentos no ha demostrado un mínimo.
5. Curvaturas distintas hacen avanzar lentamente en unas direcciones
Para una cuadrática con Hessiana simétrica definida positiva, las direcciones propias tienen factores 1−αλⱼ en gradiente de paso fijo. El mayor autovalor limita α; el pequeño puede dejar un factor muy próximo a uno. Así aparece avance lento o zigzag entre paredes estrechas.
Escalar variables o precondicionar puede cambiar la geometría del cálculo. Si una matriz M es definida positiva, p=−M⁻¹g es de descenso porque gᵀp=−gᵀM⁻¹g<0. Se resuelve el sistema para p; no hace falta formar la inversa. El coste y la calidad de esa matriz importan, y no se promete una mejora universal sin analizarlos.
El paso que resuelve una coordenada deja lenta la otra
f(x, y)=(x²+100y²)/2, desde (1;1), α=0,01.
Recurrencias
x_nuevo=0,99x y y_nuevo=0.Tras el primer paso
La coordenada rápida queda en cero, pero x solo baja a 0,99.
Cien pasos
x₁₀₀=0,99¹⁰⁰≈0,366032; no se ha llegado todavía al origen.
La razón de curvaturas cien explica la diferencia de velocidades.
Con α=0,02 la coordenada y alternaría sin decaer; no basta aumentar el paso para acelerar todo.
Una escala adaptada elimina la diferencia en esta cuadrática
Misma función; definimos z=10y.
Reescribir
f=(x²+z²)/2 en las nuevas coordenadas.Gradiente en la nueva geometría
Un paso de longitud uno en (x, z) lleva ambas coordenadas a cero.
Volver
z=0 significa y=0.En las variables originales equivale a usar M=diag(1;100).
El cambio de escala resuelve este ejemplo exacto en un paso.
No se deduce que la misma transformación diagonal resuelva cualquier función no cuadrática.
6. Newton busca el punto estacionario del modelo cuadrático local
Su gradiente respecto del incremento es g+Hp; Newton resuelve Hp=−g. Si H es definida positiva, el modelo tiene mínimo único y la dirección es de descenso para g≠0. La longitud puede seguir necesitando control.
Una Hessiana indefinida puede dar ascenso, y una singular puede producir incompatibilidad o varios pasos. No se interpreta el método como una búsqueda automática de mínimos solo porque anule derivadas. Modificar la Hessiana, usar retroceso o una región de confianza son posibles salvaguardas con análisis propio.
Una cuadrática definida positiva coincide exactamente con su modelo
f(x, y)=(x−1)²+2(y+1)², desde (3;1).
Derivadas
g=(4;8) y H=diag(2;4).Resolver
2p₁=−4 y 4p₂=−8, así p=(−2;−2).Actualizar y comprobar
Con paso completo llegamos a (1;−1); el objetivo se anula y es una suma de cuadrados positivos.
Newton alcanza el mínimo global en un paso en esta cuadrática.
No se ha usado una inversa explícita ni dividido componentes de un sistema general como si siempre fuese diagonal.
Anular la derivada puede llevar directamente a un máximo
f(x)=−x², desde x=1.
Derivadas
g=−2 y H=−2.Paso
Hp=−g da −2p=2, así p=−1 y x_nuevo=0.Comprobar
El objetivo sube de −1 a cero; además gp=2>0.Cero es un máximo, no un mínimo.
Una Hessiana negativa cambia el sentido del paso.
El cálculo algebraico de Newton puede ser correcto y responder a un punto estacionario de la clase equivocada.
Una ecuación de Newton puede no tener solución
f(x)=x⁴+x en x=0.
Derivadas
g=4x³+1 vale uno; H=12x² vale cero.Ecuación
Hp=−g se convierte en 0p=−1, imposible.Diagnóstico
La función es diferenciable, pero el modelo no tiene un punto estacionario que determine este paso. Hace falta cambiar de estrategia.
No se divide por una Hessiana nula.
La existencia de un mínimo real de la función coerciva no garantiza que Newton esté definido desde todo punto inicial.
7. La rapidez cuadrática de Newton es local y no garantiza un buen inicio
Cerca de un mínimo con Hessiana definida positiva, si la Hessiana es localmente Lipschitz y permanece invertible con control, Newton de paso completo tiene error siguiente acotado por una constante por el cuadrado del anterior. Se necesita entrar y permanecer en una vecindad adecuada; empezar lejos puede dar un paso muy malo.
La garantía global de un método requiere más información. Por ejemplo, con objetivo acotado inferiormente y gradiente globalmente L-Lipschitz, gradiente con α fijo en (0,2/L) permite sumar las cotas de descenso: Σ‖gₖ‖² es finita y gₖ→0. Esto controla estacionariedad; no afirma por sí solo convergencia de los puntos ni mínimo global en un problema no convexo.
Ver el término cuadrático del error en una función convexa
f(x)=eˣ−x, mínimo en cero.
Newton
g=eˣ−1, H=eˣ>0 y x_nuevo=x−1+exp(−x).Cerca del mínimo
Taylor de exp(−x) da 1−x+x²/2+O(x³), así x_nuevo=x²/2+O(x³).Ejemplo
Desde 0,1 se obtiene aproximadamente 0,004837418; se repite la fórmula con el nuevo punto.
El primer orden se cancela y aparece rapidez cuadrática cerca de cero.
Se recalcula la Hessiana; no se mantiene la del punto inicial durante todos los pasos.
La misma Hessiana positiva no hace seguro el paso completo desde lejos
Misma función, ahora x₀=−5.
Dirección
g=e⁻⁵−1<0 y H=e⁻⁵>0, así la dirección de Newton es de descenso.Paso completo
x₁=−6+e⁵≈142,413159.Revisar el objetivo
f(−5)≈5,006738, pero f(x₁) es mucho mayor.La orientación local no protegió un salto tan largo.
Conviene controlar la longitud incluso con Hessiana positiva.
Una búsqueda de reducción suficiente rechazaría este paso completo en vez de presentarlo como progreso.
8. Gradiente, longitud del paso y error respecto del mínimo son indicadores distintos
Un gradiente pequeño mide estacionariedad aproximada con la escala del objetivo. Un paso pequeño puede venir de una longitud elegida diminuta o de estancamiento. Una reducción pequeña puede deberse a redondeo. Ninguno equivale automáticamente a una distancia pequeña al mínimo.
Si hay convexidad fuerte de parámetro m>0 y mínimo sin restricciones, podemos usar f(x)−f*≤‖g‖²/(2m) y ‖x−x*‖≤‖g‖/m. Si no hay esa estructura, informamos el control que realmente tenemos y revisamos la naturaleza del candidato. La parada combina tolerancias, escala, evaluaciones y límites sin convertir un límite de iteración en certificado.
Un gradiente numéricamente pequeño puede corresponder a gran distancia
f(x)=10⁻⁸x²; evaluamos x=1000.
Indicador
g=2·10⁻⁸·1000=0,00002, pequeño en valor absoluto.Referencia
El mínimo está en cero: la distancia es mil y la suboptimalidad es 0,01.
Cota con escala correcta
m=2·10⁻⁸; ‖g‖/m=1000 y ‖g‖²/(2m)=0,01, exactamente estos errores.
La escala de curvatura explica lo que el gradiente aislado no decía.
No se traslada una tolerancia absoluta del gradiente entre objetivos con escalas arbitrarias.
Un paso diminuto puede fabricarse lejos del mínimo
f(x)=x², x=1, gradiente dos; elegimos α=10⁻¹².
Desplazamiento
p=−g=−2, así |αp|=2·10⁻¹².Nuevo punto
x_nuevo=1−2·10⁻¹² sigue muy cerca de uno y lejos de cero.
Comprobar antes de parar
El objetivo sigue próximo a uno y el gradiente a dos; una condición de paso pequeño sola sería engañosa.
La longitud elegida no demuestra precisión de la respuesta.
Si se detiene por estancamiento o un límite, se comunica ese motivo y los controles obtenidos.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un paso de gradiente
f(x)=x², x₀=3, α=1/4.
Objetivo y derivada
f(x)=x² y f′(x)=2x.Punto inicial
En x₀=3, el gradiente es seis y el objetivo nueve.Paso dado
Con α=1/4, x₁=3−(1/4)6=3/2=1,5.Evaluar de nuevo
f(x₁)=(3/2)²=9/4=2,25.Comparar
El objetivo ha bajado de nueve a 2,25.
Patrón
La recurrencia es x_nuevo=(1−2α)x=x/2.La mejora está comprobada para el paso solicitado.
x₁=1,5; f baja de 9 a 2,25.
El factor iterativo es 1−2α=1/2.
EJEMPLO RESUELTO 2
Newton en una cuadrática
f(x)=(x−4)². Empieza en x₀=0.
Función
f(x)=(x−4)², desde x₀=0.Derivadas
f′=2(x−4) y f″=2.Evaluar
g₀=−8 y H₀=2.Resolver
2p=8 da p=4; el paso completo produce x₁=4.Valor y gradiente
f(4)=0 y f′(4)=0.Certificar
El cuadrado es no negativo y se anula solo en cuatro. El modelo cuadrático es exacto y Newton llega al mínimo en un paso.
Newton llega al mínimo en un paso.
f′(4)=0 y f(4)=0.
Los símbolos que hemos usado
- g=∇f(x)
- Gradiente: representa la derivada lineal en geometría euclídea.
- p
- Dirección de movimiento elegida en un iterado.
- α>0
- Longitud del paso que multiplica la dirección.
- H=∇²f
- Hessiana que describe la variación local del gradiente.
- L-suavidad
- El gradiente es Lipschitz con constante L en el ámbito indicado.
- Búsqueda lineal
- Procedimiento que prueba longitudes para una dirección fijada.
- Estacionario
- Punto donde el gradiente es cero, sin afirmar aún mínimo.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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