从对偶定理看择一定理(Farkas为例)

本文讨论了如何通过Farkas引理将线性规划的无约束问题转化为等式和不等式条件下的对偶问题,强调了当原问题与对偶问题其中一个有解时另一个必定无解的特性。目标函数被调整以确保问题的互补性。

上图是对偶问题,下图为Farkas引理

Farkas引理改变表达方式

I:\begin{Bmatrix} z=cx>0\\ Ax\leqslant 0\\ \forall x \end{Bmatrix} II:\begin{Bmatrix} w=y\cdot 0=0\\ yA=c\\ y\geqslant 0 \end{Bmatrix}

x的无约束转为y的等式条件以及x的小于等于条件转为y的大于等于条件与对偶定理完全一致。

对于对偶定理,若原问题有最优解,那么对偶问题也有最优解,且目标函数值相等

这里改动了目标函数,取消了最大化与最小化问题,专门设置了条件使得两个线性系统互斥(一个有解,另一个必无解;一个无解,另一个必有解)

### 凸优化中的Farkas引理 #### 定义与表述 在凸优化理论中,Farkas引理是一个重要的定理,它描述了一组线性不等式的解的存在性和性质。具体来说,对于给定矩阵 \( A \in \mathbb{R}^{m \times n} \) 和向量 \( b \in \mathbb{R}^m \),存在两种互斥的情况之一: 1. 存在一个向量 \( x \geq 0 \) 使得 \( Ax = b \)[^1]。 2. 或者存在一个向量 \( y \) 使得 \( A^\top y \geq 0 \) 并且 \( b^\top y < 0 \)[^1]。 这两种情况不可能同时成立,并且其中一种必定成立。 #### 应用场景 Farkas引理广泛应用于证明其他重要定理以及解决实际问题。如,在经济学中用于研究市场均衡;在线性规划中作为强对偶性的基础工具;在机器学习领域帮助理解支持向量机(SVMs)的工作原理[^2]。 #### 数学推导过程 为了更好地理解这个概念,可以考虑下面简单的子来展示如何应用该引理解决问题: 假设有一个标准形式下的线性方程组\(Ax=b\),我们想要判断是否存在非负解\(x\geqslant0\)满足此条件。此时就可以利用Farkas引理来进行分析了。 如果上述第一个条件能够被满足,则说明确实有符合条件的解存在; 反之则意味着第二个条件成立——即可以通过找到合适的y来验证原问题是不可行的。 ```python import numpy as np from scipy.optimize import linprog def check_farkas(A, b): res = linprog(c=np.zeros_like(b), A_eq=A.T, b_eq=b, bounds=(None, None)) if res.success: return "Condition (i): There exists a non-b A_ub = -A res_dual = linprog(c=c, A_ub=A_ub, b_ub=np.zeros(len(A)), method='highs') if res_dual.success and all(res_dual.x >= 0): return f"Condition (ii): Found {res_dual.x}" else: return "No valid condition found." # Example usage with given matrix A and vector b. A_example = [[1, 2], [-1, 1]] b_example = [8, 3] print(check_farkas(np.array(A_example).T, np.array(b_example))) ```
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