The curse of dimensionality presents a pervasive challenge in optimization problems, with exponential expansion of the search space rapidly causing traditional algorithms to become inefficient or infeasible. An adaptive sampling strategy is presented to accelerate optimization in this domain as an alternative to uniform quasi-Monte Carlo (QMC) methods. This method, referred to as Hyperellipsoid Density Sampling (HDS), generates its sequences by defining multiple hyperellipsoids throughout the search space. HDS uses three types of unsupervised learning algorithms to circumvent high-dimensional geometric calculations, producing an intelligent, non-uniform sample sequence that exploits statistically promising regions of the parameter space and improves final solution quality in high-dimensional optimization problems. A key feature of the method is optional Gaussian weights, which may be provided to influence the sample distribution towards known locations of interest. This capability makes HDS versatile for applications beyond optimization, providing a focused, denser sample distribution where models need to concentrate their efforts on specific, non-uniform regions of the parameter space. The method was evaluated against Sobol, a standard QMC method, using differential evolution (DE) on the 29 CEC2017 benchmark test functions. The results show statistically significant improvements in solution geometric mean error (p < 0.05), with average performance gains ranging from 3% in 30D to 37% in 10D. This paper demonstrates the efficacy of HDS as a robust alternative to QMC sampling for high-dimensional optimization.


翻译:维数灾难是优化问题中普遍存在的挑战,搜索空间的指数级扩张导致传统算法迅速变得低效或不可行。本文提出一种自适应采样策略以加速该领域的优化,作为均匀拟蒙特卡洛(QMC)方法的替代方案。该方法称为超椭球密度采样(HDS),通过在搜索空间中定义多个超椭球来生成序列。HDS采用三种无监督学习算法规避高维几何计算,产生智能的非均匀样本序列,以利用参数空间中统计意义上具有潜力的区域,从而提升高维优化问题的最终解质量。该方法的一个关键特性是可选的权重,可通过提供权重使样本分布偏向已知的关注区域。这一能力使HDS在优化以外的应用中具有通用性,能够在模型需要聚焦于参数空间特定非均匀区域时提供集中且更密集的样本分布。该方法与标准QMC方法Sobol在29个CEC2017基准测试函数上使用差分进化(DE)进行对比评估。结果显示,在解几何平均误差方面具有统计显著改进(p < 0.05),平均性能提升从30维的3%到10维的37%不等。本文证明了HDS作为高维优化中QMC采样的稳健替代方法的有效性。

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