04 Convex problem凸优化问题



1 一般优化问题

1.1 Standard Form 标准型

min ⁡ f 0 ( x ) x ∈ R n s . t . f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , h j ( x ) = 0 , j = 1 , ⋯   , l , \begin{aligned} \min \quad & f_0(\boldsymbol x) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(\boldsymbol x) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & h_j(\boldsymbol x) = 0, \quad j =1,\cdots, l, \end{aligned} mins.t.f0(x)xRnfi(x)0,i=1,,m,hj(x)=0,j=1,,l,
优化变量: x = ( x 1 , . . . x n ) x=(x_1,...x_n) x=(x1,...xn)
目标函数: f 0 : R n → R f_0: R^n\to R f0:RnR
不等式约束: f i : R n → R f_i: R^n\to R fi:RnR
等式约束: h i : R n → R h_i:R^n\to R hi:RnR
最优值: p ∗ = i n f { f 0 ( x ) ∣ f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , . . . m , h i ( x ) = 0 , i = 1 , . . . , l } p^*=inf\{f_0(x)|f_i(x)\leq 0,i=1,...m,h_i(x)=0,i=1,...,l\} p=inf{f0(x)fi(x)0,i=1,...m,hi(x)=0,i=1,...,l}
最优解: f 0 ( x ∗ ) = p ∗ f_0(x^*)=p^* f0(x)=p
隐式约束: x ∈ D = ⋂ d o m f i ∩ ⋂ d o m h i x\in D=\bigcap domf_i \cap \bigcap dom h_i xD=domfidomhi
有时候我们只需要寻找一个可行点, f 0 ( x ) f_0(x) f0(x)设置为常数。

1.2 stationary point 驻点

定义: ▽ f ( x ) = 0 \bigtriangledown f(x)=0 f(x)=0
局部极小:存在一个邻域内,使其在该邻域最小。
全局极小:显然
鞍点:存在一个邻域使得在改邻域内排在中间。
在这里插入图片描述

2 凸优化问题

2.1 标准形式

min ⁡ f 0 ( x ) x ∈ R n s . t . f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , A x = b \begin{aligned} \min \quad & f_0(\boldsymbol x) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(\boldsymbol x) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.f0(x)xRnfi(x)0,i=1,,m,Ax=b
目标函数是凸函数,定义在凸集上。
对于约束,凸函数的下水平集为凸集,凸集合的交为凸集。
为什么研究凸问题?凸问题的局部极小就是全局极小。
f ( y ) ≥ f ( x ∗ ) + f ′ ( x ∗ ) T ( y − x ∗ ) f(y)\geq f(x^*)+f'(x^*)^T(y-x^*) f(y)f(x)+f(x)T(yx)

2.2最优性条件

对于可微函数
x x x是最优点 iff
f ′ ( x ∗ ) T ( y − x ∗ ) ≥ 0 f'(x^*)^T(y-x^*)\geq 0 f(x)T(yx)0 for all feasible y y y.
在这里插入图片描述
证明 见上面泰勒展开。
另外条件见后一章kkt.

2.3 等价

2.3.1 消除等式约束

min ⁡ f 0 ( F z + x 0 ) x ∈ R n s . t . f i ( F z + x 0 ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , \begin{aligned} \min \quad & f_0(Fz+x_0) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(Fz+x_0) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ \end{aligned} mins.t.f0(Fz+x0)xRnfi(Fz+x0)0,i=1,,m,
where F F F and x 0 x_0 x0, A x = b ⟺ x = F z + x 0 Ax=b \Longleftrightarrow x=Fz+x_0 Ax=bx=Fz+x0 for some z z z
x 0 x_0 x0是任意可行解, R ( F ) = N ( A ) R(F)=N(A) R(F)=N(A) A F = 0 AF=0 AF=0
推广到变量替换。

2.3.2 对不等式引入松弛变量

min ⁡ f 0 ( x ) x ∈ R n s . t . f i ( x ) + s i = 0 , i = 1 , ⋯   , m , s i ≥ 0 \begin{aligned} \min \quad & f_0(\boldsymbol x) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(\boldsymbol x) +s_i =0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & s_i\geq0 \end{aligned} mins.t.f0(x)xRnfi(x)+si=0,i=1,,m,si0

2.3.3 上镜图形式

min ⁡ t x ∈ R n s . t . f 0 ( x ) ≤ t f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , A x = b \begin{aligned} \min \quad & t \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad& f_0(\boldsymbol x) \leq t\\ \quad & f_i(\boldsymbol x) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.txRnf0(x)tfi(x)0,i=1,,m,Ax=b

2.3.4 降维 极小化其他变量

min ⁡ i n f y f 0 ( x , y ) x ∈ R n s . t . f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , A x = b \begin{aligned} \min \quad & inf_y f_0(x,y) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(\boldsymbol x) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.infyf0(x,y)xRnfi(x)0,i=1,,m,Ax=b

3 拟凸问题

min ⁡ f 0 ( x ) x ∈ R n s . t . f i ( x ) ≤ 0 , i = 1 , ⋯   , m , A x = b \begin{aligned} \min \quad & f_0(\boldsymbol x) \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad & f_i(\boldsymbol x) \leq 0, \quad i=1,\cdots,m, \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.f0(x)xRnfi(x)0,i=1,,m,Ax=b
f 0 f_0 f0是拟凸函数, f i f_i fi是凸函数。拟凸优化问题可以转为多个连续的凸问题。
在这里插入图片描述

4 凸优化问题分类

  • LP,QP,SOCP,SDP

4.1 LP Linear Programming

min ⁡ c T x + d x ∈ R n s . t . G x ≤ h A x = b \begin{aligned} \min \quad & c^Tx+d \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad &Gx\leq h \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.cTx+dxRnGxhAx=b
min ∣ ∣ x ∣ ∣ ∞ ||x||_{\infty} x等价于 t ≤ x ≤ t t\leq x \leq t txt ,min t t t
min ∣ ∣ x ∣ ∣ 1 ||x||_{1} x1等价于 − t i ≤ x ≤ t i -t_i\leq x \leq t_i tixti ,min ∑ t i \sum t_i ti

4.2QP Quadratic Programming

min ⁡ 1 2 x T P x + q T + r x ∈ R n s . t . G x ≤ h A x = b \begin{aligned} \min \quad & \frac{1}{2}x^TPx+q^T+r \quad \boldsymbol x \in \mathbb R^n \\ \mathrm{s.t.} \quad &Gx\leq h \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.21xTPx+qT+rxRnGxhAx=b
目标函数是二次,( P ∈ S + n P\in S_{+}^n PS+n)约束为线性。
在这里插入图片描述

4.3 QCQP Quadratically Constrained QP

min ⁡ 1 2 x T P 0 x + q 0 T + r 0 s . t . 1 2 x T P i x + q i T + r i ≤ 0 A x = b \begin{aligned} \min \quad & \frac{1}{2}x^TP_0x+q_0^T+r_0 \\ \mathrm{s.t.} \quad &\frac{1}{2}x^TP_ix+q_i^T+r_i \leq 0 \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.21xTP0x+q0T+r021xTPix+qiT+ri0Ax=b
P i ∈ S + n P_i\in S_{+}^n PiS+n
约束以及目标函数均为约束

4.4 SOCP Second-Order Cone Programming

min ⁡ f T x s . t . ∣ ∣ A i x + b i ∣ ∣ ≤ c i T x + d i F x = g \begin{aligned} \min \quad & f^Tx \\ \mathrm{s.t.} \quad &||A_ix+b_i||\leq c_i^Tx +d_i \\ & Fx=g \end{aligned} mins.t.fTxAix+biciTx+diFx=g
目标函数为线性约束为二阶锥。范数锥 ∣ ∣ x ∣ ∣ ≤ t ||x||\leq t xt

4.5 SDP Semidefinite Programming

min ⁡ c T x s . t . ∑ x i F i ≼ G A x = b \begin{aligned} \min \quad & c^Tx \\ \mathrm{s.t.} \quad &\sum x_iF_i\preccurlyeq G \\ & Ax=b \end{aligned} mins.t.cTxxiFiGAx=b
线性矩阵不等式。

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