深入理解拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件 (转载)

本文详细介绍了拉格朗日乘子法及KKT条件在优化问题中的应用,包括无约束、等式约束及不等式约束条件下的求解方法,并深入探讨了这些方法背后的数学原理。

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xianlingmao博主的文章,写的非常的好,但是不能转载,因为非常喜欢这篇文章想要保存下来,还是忍不住复制粘贴了。非常的感谢博主!

在求取有约束条件的优化问题时,拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件是非常重要的两个求取方法,对于等式约束的优化问题,可以应用拉格朗日乘子法去求取最优值;如果含有不等式约束,可以应用KKT条件去求取。当然,这两个方法求得的结果只是必要条件,只有当是凸函数的情况下,才能保证是充分必要条件。KKT条件是拉格朗日乘子法的泛化。之前学习的时候,只知道直接应用两个方法,但是却不知道为什么拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件能够起作用,为什么要这样去求取最优值呢?

本文将首先把什么是拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件叙述一下;然后开始分别谈谈为什么要这样求最优值。

一. 拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件

通常我们需要求解的最优化问题有如下几类:

(i) 无约束优化问题,可以写为:

   min f(x);  

(ii) 有等式约束的优化问题,可以写为:

   min f(x), 

 s.t. h_i(x) = 0; i =1, ..., n 

(iii) 有不等式约束的优化问题,可以写为:

                     min f(x), 

                   s.t. g_i(x) <= 0; i =1, ..., n

                     h_j(x) = 0; j =1, ..., m

对于第(i)类的优化问题,常常使用的方法就是Fermat定理,即使用求取f(x)的导数,然后令其为零,可以求得候选最优值,再在这些候选值中验证;如果是凸函数,可以保证是最优解。

对于第(ii)类的优化问题,常常使用的方法就是拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) ,即把等式约束h_i(x)用一个系数与f(x)写为一个式子,称为拉格朗日函数,而系数称为拉格朗日乘子。通过拉格朗日函数对各个变量求导,令其为零,可以求得候选值集合,然后验证求得最优值。

对于第(iii)类的优化问题,常常使用的方法就是KKT条件。同样地,我们把所有的等式、不等式约束与f(x)写为一个式子,也叫拉格朗日函数,系数也称拉格朗日乘子,通过一些条件,可以求出最优值的必要条件,这个条件称为KKT条件。

(a) 拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier)

对于等式约束,我们可以通过一个拉格朗日系数a 把等式约束和目标函数组合成为一个式子L(a, x) = f(x) + a*h(x), 这里把a和h(x)视为向量形式,a是横向量,h(x)为列向量,之所以这么写,完全是因为csdn很难写数学公式,只能将就了…..。

然后求取最优值,可以通过对L(a,x)对各个参数求导取零,联立等式进行求取,这个在高等数学里面有讲,但是没有讲为什么这么做就可以,在后面,将简要介绍其思想。

(b) KKT条件

对于含有不等式约束的优化问题,如何求取最优值呢?常用的方法是KKT条件,同样地,把所有的不等式约束、等式约束和目标函数全部写为一个式子L(a, b, x)= f(x) + a*g(x)+b*h(x),KKT条件是说最优值必须满足以下条件:

  1. L(a, b, x)对x求导为零;

  2. h(x) =0;

  3. a*g(x) = 0;

求取这三个等式之后就能得到候选最优值。其中第三个式子非常有趣,因为g(x)<=0,如果要满足这个等式,必须a=0或者g(x)=0. 这是SVM的很多重要性质的来源,如支持向量的概念。

二. 为什么拉格朗日乘子法(Lagrange Multiplier) 和KKT条件能够得到最优值?

为什么要这么求能得到最优值?先说拉格朗日乘子法,设想我们的目标函数z = f(x), x是向量, z取不同的值,相当于可以投影在x构成的平面(曲面)上,即成为等高线,如下图,目标函数是f(x, y),这里x是标量,虚线是等高线,现在假设我们的约束g(x)=0,x是向量,在x构成的平面或者曲面上是一条曲线,假设g(x)与等高线相交,交点就是同时满足等式约束条件和目标函数的可行域的值,但肯定不是最优值,因为相交意味着肯定还存在其它的等高线在该条等高线的内部或者外部,使得新的等高线与目标函数的交点的值更大或者更小,只有到等高线与目标函数的曲线相切的时候,可能取得最优值,如下图所示,即等高线和目标函数的曲线在该点的法向量必须有相同方向,所以最优值必须满足:f(x)的梯度 = a* g(x)的梯度,a是常数,表示左右两边同向。这个等式就是L(a,x)对参数求导的结果。(上述描述,我不知道描述清楚没,如果与我物理位置很近的话,直接找我,我当面讲好理解一些,注:下图来自wiki)。

而KKT条件是满足强对偶条件的优化问题的必要条件,可以这样理解:我们要求min f(x), L(a, b, x) = f(x) + a*g(x) + b*h(x),a>=0,我们可以把f(x)写为:max_{a,b} L(a,b,x),为什么呢?因为h(x)=0, g(x)<=0,现在是取L(a,b,x)的最大值,a*g(x)是<=0,所以L(a,b,x)只有在a*g(x) = 0的情况下才能取得最大值,否则,就不满足约束条件,因此max_{a,b} L(a,b,x)在满足约束条件的情况下就是f(x),因此我们的目标函数可以写为 min_x max_{a,b} L(a,b,x)。如果用对偶表达式: max_{a,b} min_x L(a,b,x),由于我们的优化是满足强对偶的(强对偶就是说对偶式子的最优值是等于原问题的最优值的),所以在取得最优值x0的条件下,它满足 f(x0) = max_{a,b} min_x L(a,b,x) = min_x max_{a,b} L(a,b,x) =f(x0),我们来看看中间两个式子发生了什么事情:

f(x0) = max_{a,b} min_x L(a,b,x) = max_{a,b} min_x f(x) + a*g(x) + b*h(x) = max_{a,b} f(x0)+a*g(x0)+b*h(x0) = f(x0)

可以看到上述加黑的地方本质上是说 min_x f(x) + a*g(x) + b*h(x) 在x0取得了最小值,用fermat定理,即是说对于函数 f(x) + a*g(x) + b*h(x),求取导数要等于零,即

f(x)的梯度+a*g(x)的梯度+ b*h(x)的梯度 = 0

这就是kkt条件中第一个条件:L(a, b, x)对x求导为零。

而之前说明过,a*g(x) = 0,这时kkt条件的第3个条件,当然已知的条件h(x)=0必须被满足,所有上述说明,满足强对偶条件的优化问题的最优值都必须满足KKT条件,即上述说明的三个条件。可以把KKT条件视为是拉格朗日乘子法的泛化。

内容概要:本文介绍了多种开发者工具及其对开发效率的提升作用。首先,介绍了两款集成开发环境(IDE):IntelliJ IDEA 以其智能代码补全、强大的调试工具项目管理功能适用于Java开发者;VS Code 则凭借轻量级多种编程语言的插件支持成为前端开发者的常用工具。其次,提到了基于 GPT-4 的智能代码生成工具 Cursor,它通过对话式编程显著提高了开发效率。接着,阐述了版本控制系统 Git 的重要性,包括记录代码修改、分支管理协作功能。然后,介绍了 Postman 作为 API 全生命周期管理工具,可创建、测试文档化 API,缩短前后端联调时间。再者,提到 SonarQube 这款代码质量管理工具,能自动扫描代码并检测潜在的质量问题。还介绍了 Docker 容器化工具,通过定义应用的运行环境依赖,确保环境一致性。最后,提及了线上诊断工具 Arthas 性能调优工具 JProfiler,分别用于生产环境排障性能优化。 适合人群:所有希望提高开发效率的程序员,尤其是有一定开发经验的软件工程师技术团队。 使用场景及目标:①选择合适的 IDE 提升编码速度代码质量;②利用 AI 编程助手加快开发进程;③通过 Git 实现高效的版本控制团队协作;④使用 Postman 管理 API 的全生命周期;⑤借助 SonarQube 提高代码质量;⑥采用 Docker 实现环境一致性;⑦运用 Arthas JProfiler 进行线上诊断性能调优。 阅读建议:根据个人或团队的需求选择适合的工具,深入理解每种工具的功能特点,并在实际开发中不断实践优化。
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内容概要:该论文深入研究了光纤陀螺(FOG)的温度特性及其补偿方法。首先分析了光纤陀螺各主要光学电子器件的温度特性,通过有限元方法模拟温度场对陀螺的影响,进行了稳态瞬态热分析。接着提出了高阶多项式算法RBF神经网络算法两种温度补偿方法,并建立了相应的数学模型。论文还设计了不同温度条件下的实验以验证补偿效果,研究表明结合这两种算法能有效补偿光纤陀螺的温度漂移误差。此外,论文提供了详细的Python代码实现,包括数据预处理、补偿算法实现、有限元热分析模拟以及补偿效果的可视化。 适合人群:具备一定编程基础物理基础知识的研究人员或工程师,尤其是从事惯性导航系统、光纤传感技术领域工作的人员。 使用场景及目标:①研究光纤陀螺在不同温度条件下的性能变化;②开发优化温度补偿算法以提高光纤陀螺的精度;③利用提供的代码框架进行实验设计数据分析,探索更有效的补偿策略。 其他说明:论文不仅提供了理论分析,还有具体的代码实现,有助于读者更好地理解应用。文中涉及的补偿算法有限元分析方法可以为其他相关领域的研究提供参考。此外,论文还讨论了温度误差的多物理场耦合机理、静态与动态补偿的综合效果以及工程实现中的关键技术瓶颈解决方案。
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