cvxopt求解二次型规划

本文深入解析二次型规划的数学模型及应用实例,介绍如何利用Python的cvxopt库解决二次规划问题,涵盖矩阵表达和求解过程。

QP definition

参考文献见:https://courses.csail.mit.edu/6.867/wiki/images/a/a7/Qp-cvxopt.pdf

二次型规划可划归为以下模型

minx12xTPx+qTxsubjecttoGx≤hAx=b \begin{aligned} min_{x} \quad \frac{1}{2}x^TPx+q^Tx \\ subject \quad to \quad Gx \le h \\ \quad \quad \quad Ax=b \\ \end{aligned} minx21xTPx+qTxsubjecttoGxhAx=b

一个例子

  • 原问题
    minx,y12x2+3x+4ysubjecttox,y≥0x+3y≥152x+5y≤1003x+4y≤80 \begin{aligned} min_{x,y} \quad \frac{1}{2}x^2+3x+4y \\ subject \quad to\quad x,y\ge0 \\ \quad \quad \quad x+3y\ge15 \\ \quad \quad \quad 2x+5y\le100 \\ \quad \quad \quad 3x+4y\le80 \\ \end{aligned} minx,y21x2+3x+4ysubjecttox,y0x+3y152x+5y1003x+4y80
  • 矩阵表达,公式

minx,y12[xy]T[1000][xy]+[34][xy][−100−1−1−32534][xy]≤[00−1510080] \begin{aligned}min_{x,y} \quad \frac{1}{2} \begin{bmatrix}x \\y \end{bmatrix}^T \begin{bmatrix}1 &0 \\0&0 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}x \\y \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}3 \\4 \end{bmatrix}\begin{bmatrix}x \\y \end{bmatrix} \\\begin{bmatrix}-1 & 0 \\ 0 & -1 \\ -1 & -3 \\2 &5 \\3 & 4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x \\y \end{bmatrix} \le\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ -15 \\ 100 \\80\end{bmatrix} \end{aligned} minx,y21[xy]T[1000][xy]+[34][xy]1012301354[xy]001510080

求解

import numpy as np
import cvxopt
from cvxopt import matrix,solvers

使用numpy 和 matrix结合

P = matrix(np.diag([1,0]), tc='d')
q = matrix(np.array([3,4]), tc='d')
G = matrix(np.array([[-1,0],[0,-1],[-1,-3],[2,5],[3,4]]),tc='d')
h = matrix(np.array([0,0,-15,100,80]), tc='d')
sol = solvers.qp(P,q,G,h)
#sol = solvers.qp(P,q,G,h,A,b)
print(sol['x'])
print(sol['primal objective'])
     pcost       dcost       gap    pres   dres
 0:  1.0780e+02 -7.6366e+02  9e+02  4e-17  4e+01
 1:  9.3245e+01  9.7637e+00  8e+01  8e-17  3e+00
 2:  6.7311e+01  3.2553e+01  3e+01  8e-17  1e+00
 3:  2.6071e+01  1.5068e+01  1e+01  7e-17  7e-01
 4:  3.7092e+01  2.3152e+01  1e+01  1e-16  4e-01
 5:  2.5352e+01  1.8652e+01  7e+00  9e-17  4e-16
 6:  2.0062e+01  1.9974e+01  9e-02  7e-17  2e-16
 7:  2.0001e+01  2.0000e+01  9e-04  8e-17  2e-16
 8:  2.0000e+01  2.0000e+01  9e-06  1e-16  2e-16
Optimal solution found.
[ 7.13e-07]
[ 5.00e+00]

20.00000617311241

使用 matrix直接求解

这里matrix的输入是转置的,比如G

Glist = [[-1.0,0.0,-1.0,2.0,3.0],[0.0,-1.0,-3.0,5.0,4.0]]
G = matrix([[-1.0,0.0,-1.0,2.0,3.0],[0.0,-1.0,-3.0,5.0,4.0]])
print(Glist)
print(G)
[[-1.0, 0.0, -1.0, 2.0, 3.0], [0.0, -1.0, -3.0, 5.0, 4.0]]
[-1.00e+00  0.00e+00]
[ 0.00e+00 -1.00e+00]
[-1.00e+00 -3.00e+00]
[ 2.00e+00  5.00e+00]
[ 3.00e+00  4.00e+00]

P = matrix(np.diag([1,0]), tc='d')
q = matrix(np.array([3,4]), tc='d')
G = matrix(np.array([[-1,0],[0,-1],[-1,-3],[2,5],[3,4]]),tc='d')
h = matrix(np.array([0,0,-15,100,80]), tc='d')
sol = solvers.qp(P,q,G,h)
#sol = solvers.qp(P,q,G,h,A,b)
print(sol['x'])
print(sol['primal objective'])
     pcost       dcost       gap    pres   dres
 0:  1.0780e+02 -7.6366e+02  9e+02  4e-17  4e+01
 1:  9.3245e+01  9.7637e+00  8e+01  8e-17  3e+00
 2:  6.7311e+01  3.2553e+01  3e+01  8e-17  1e+00
 3:  2.6071e+01  1.5068e+01  1e+01  7e-17  7e-01
 4:  3.7092e+01  2.3152e+01  1e+01  1e-16  4e-01
 5:  2.5352e+01  1.8652e+01  7e+00  9e-17  4e-16
 6:  2.0062e+01  1.9974e+01  9e-02  7e-17  2e-16
 7:  2.0001e+01  2.0000e+01  9e-04  8e-17  2e-16
 8:  2.0000e+01  2.0000e+01  9e-06  1e-16  2e-16
Optimal solution found.
[ 7.13e-07]
[ 5.00e+00]

20.00000617311241
二次型是一种重要的数学概念,广泛应用于优化、机器学习以及计算机图形学等领域。以下是关于二次型在IT领域的应用及编程实现的一些关键点: --- ### 方法一:二次型的基本定义及其矩阵表示 二次型可以写成如下形式: $$Q(x) = x^T A x + b^T x + c$$ 其中,$A$ 是一个对称矩阵,$x$ 和 $b$ 是向量,$c$ 是常数项。 这种形式经常出现在最优化问题中,例如求解目标函数的极值或者约束条件下的最优解。 --- ### 方法二:二次规划 (Quadratic Programming, QP) 二次规划是一类特殊的优化问题,其目标函数是一个二次型,而约束通常是线性的。标准形式为: $$\min \frac{1}{2} x^T P x + q^T x$$ $$s.t.\ Gx \leq h,\ Ax = b$$ 许多科学计算库支持QP求解器,比如 Python 的 `cvxopt` 库或 MATLAB 内置的优化工具箱。 #### 示例代码(Python 实现): ```python from cvxopt import matrix, solvers # 定义参数 P = matrix([[2.0, 1.0], [1.0, 2.0]]) q = matrix([3.0, 4.0]) G = matrix([[-1.0, 0.0], [0.0, -1.0]]) h = matrix([0.0, 0.0]) A = matrix([1.0, 1.0], (1, 2)) b = matrix(1.0) # 调用求解器 sol = solvers.qp(P, q, G, h, A, b) print(sol['x']) ``` --- ### 方法三:二次型在图像处理中的应用 在计算机视觉领域,二次型可用于描述形状变形的能量函数。例如,在弹性能量最小化问题中,形变后的网格顶点位置可以通过求解以下方程得到: $$E(u) = u^T K u$$ 这里 $K$ 是刚度矩阵,$u$ 表示节点位移矢量。 此类问题通常结合有限元法(FEM),利用数值方法近似求解。 --- ### 方法四:二次型在机器学习中的作用 在支持向量机(SVM)算法中,分类超平面的选择依赖于最大化间隔的目标函数,这本质上也是一个带约束的二次规划问题。此外,核技巧(Kernel Trick)也涉及到高维空间内的二次型运算。 对于正定核函数 $\kappa(x_i,x_j)$ ,对应的 Gram 矩阵即是对称半正定矩阵。 --- ### 注意事项 - 如果矩阵非正定,则可能需要引入拉格朗日乘子或其他松弛策略来保证收敛性。 - 在实际编码过程中需关注浮点精度误差累积现象,必要时采用更高精度的数据类型存储中间结果。 ---
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