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凸最佳化 - 可微函式
設S是$\mathbb{R}^n$中的一個非空開集,則當存在一個稱為梯度向量的向量$\bigtriangledown f\left ( \hat{x} \right )$和一個函式$\alpha :\mathbb{R}^n\rightarrow \mathbb{R}$使得以下等式成立時,$f:S\rightarrow \mathbb{R}$在$\hat{x} \in S$處可微:
$f\left ( x \right )=f\left ( \hat{x} \right )+\bigtriangledown f\left ( \hat{x} \right )^T\left ( x-\hat{x} \right )+\left \| x-\hat{x} \right \|\alpha \left ( \hat{x}, x-\hat{x} \right ), \forall x \in S$,其中
$\alpha \left (\hat{x}, x-\hat{x} \right )\rightarrow 0$,$\bigtriangledown f\left ( \hat{x} \right )=\left [ \frac{\partial f}{\partial x_1}\frac{\partial f}{\partial x_2}...\frac{\partial f}{\partial x_n} \right ]_{x=\hat{x}}^{T}$
定理
設S是$\mathbb{R}^n$中的一個非空開凸集,且$f:S\rightarrow \mathbb{R}$在S上可微。則f是凸函式當且僅當對於$x_1,x_2 \in S$,$\bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T \left ( x_1-x_2 \right ) \leq f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right )$
證明
設f是一個凸函式。即,對於$x_1,x_2 \in S, \lambda \in \left ( 0, 1 \right )$
$f\left [ \lambda x_1+\left ( 1-\lambda \right )x_2 \right ]\leq \lambda f\left ( x_1 \right )+\left ( 1-\lambda \right )f\left ( x_2 \right )$
$ \Rightarrow f\left [ \lambda x_1+\left ( 1-\lambda \right )x_2 \right ]\leq \lambda \left ( f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right ) \right )+f\left ( x_2 \right )$
$ \Rightarrow\lambda \left ( f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right ) \right )\geq f\left ( x_2+\lambda \left ( x_1-x_2 \right ) \right )-f\left ( x_2 \right )$
$\Rightarrow \lambda \left ( f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right ) \right )\geq f\left ( x_2 \right )+\bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T\left ( x_1-x_2 \right )\lambda +$
$\left \| \lambda \left ( x_1-x_2 \right ) \right \|\alpha \left ( x_2,\lambda\left (x_1 - x_2 \right ) \right )-f\left ( x_2 \right )$
其中$\alpha\left ( x_2, \lambda\left (x_1 - x_2 \right ) \right )\rightarrow 0$,當$\lambda \rightarrow 0$
兩邊除以$\lambda$,得到:
$f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right ) \geq \bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T \left ( x_1-x_2 \right )
逆命題
設對於$x_1,x_2 \in S$,$\bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T \left ( x_1-x_2 \right ) \leq f\left ( x_1 \right )-f \left ( x_2 \right )$
要證明f是凸函式。
由於S是凸集,$x_3=\lambda x_1+\left(1-\lambda \right)x_2 \in S, \lambda \in \left ( 0, 1 \right )$
由於$x_1, x_3 \in S$,因此
$f\left ( x_1 \right )-f \left ( x_3 \right ) \geq \bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T \left ( x_1 -x_3\right )$
$ \Rightarrow f\left ( x_1 \right )-f \left ( x_3 \right )\geq \bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T \left ( x_1 - \lambda x_1-\left (1-\lambda \right )x_2\right )$
$ \Rightarrow f\left ( x_1 \right )-f \left ( x_3 \right )\geq \left ( 1- \lambda\right )\bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T \left ( x_1 - x_2\right )$
由於$x_2, x_3 \in S$,因此
$f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_3 \right )\geq \bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T\left ( x_2-x_3 \right )$
$\Rightarrow f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_3 \right )\geq \bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T\left ( x_2-\lambda x_1-\left ( 1-\lambda \right )x_2 \right )$
$\Rightarrow f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_3 \right )\geq \left ( -\lambda \right )\bigtriangledown f\left ( x_3 \right )^T\left ( x_1-x_2 \right )$
因此,結合上述等式,得到:
$\lambda \left ( f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_3 \right ) \right )+\left ( 1- \lambda \right )\left ( f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_3 \right ) \right )\geq 0$
$\Rightarrow f\left ( x_3\right )\leq \lambda f\left ( x_1 \right )+\left ( 1-\lambda \right )f\left ( x_2 \right )$
定理
設S是$\mathbb{R}^n$中的一個非空開凸集,且$f:S \rightarrow \mathbb{R}$在S上可微,則f在S上是凸函式當且僅當對於任何$x_1,x_2 \in S$,$\left ( \bigtriangledown f \left ( x_2 \right )-\bigtriangledown f \left ( x_1 \right ) \right )^T \left ( x_2-x_1 \right ) \geq 0$
證明
設f是一個凸函式,則根據之前的定理:
$\bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T\left ( x_1-x_2 \right )\leq f\left ( x_1 \right )-f\left ( x_2 \right )$ 且
$\bigtriangledown f\left ( x_1 \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )\leq f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_1 \right )$
將上述兩個等式相加,得到:
$\bigtriangledown f\left ( x_2 \right )^T\left ( x_1-x_2 \right )+\bigtriangledown f\left ( x_1 \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )\leq 0$
$\Rightarrow \left ( \bigtriangledown f\left ( x_2 \right )-\bigtriangledown f\left ( x_1 \right ) \right )^T\left ( x_1-x_2 \right )\leq 0$
$\Rightarrow \left ( \bigtriangledown f\left ( x_2 \right )-\bigtriangledown f\left ( x_1 \right ) \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )\geq 0$
逆命題
設對於任何$x_1,x_2 \in S$,$\left (\bigtriangledown f \left ( x_2\right )- \bigtriangledown f \left ( x_1\right )\right )^T \left ( x_2-x_1\right )\geq 0$
要證明f是凸函式。
設$x_1,x_2 \in S$,則根據均值定理,$\frac{f\left ( x_1\right )-f\left ( x_2\right )}{x_1-x_2}=\bigtriangledown f\left ( x\right ),x \in \left ( x_1,x_2\right ) \Rightarrow x= \lambda x_1+\left ( 1-\lambda\right )x_2$,因為S是一個凸集。
$\Rightarrow f\left ( x_1 \right )- f\left ( x_2 \right )=\left ( \bigtriangledown f\left ( x \right )^T \right )\left ( x_1-x_2 \right )$
對於$x,x_1$,我們知道:
$\left ( \bigtriangledown f\left ( x \right )-\bigtriangledown f\left ( x_1 \right ) \right )^T\left ( x-x_1 \right )\geq 0$
$\Rightarrow \left ( \bigtriangledown f\left ( x \right )-\bigtriangledown f\left ( x_1 \right ) \right )^T\left ( \lambda x_1+\left ( 1-\lambda \right )x_2-x_1 \right )\geq 0$
$\Rightarrow \left ( \bigtriangledown f\left ( x \right )- \bigtriangledown f\left ( x_1 \right )\right )^T\left ( 1- \lambda \right )\left ( x_2-x_1 \right )\geq 0$
$\Rightarrow \bigtriangledown f\left ( x \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )\geq \bigtriangledown f\left ( x_1 \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )$
結合上述等式,得到:
$\Rightarrow \bigtriangledown f\left ( x_1 \right )^T\left ( x_2-x_1 \right )\leq f\left ( x_2 \right )-f\left ( x_1 \right )$
因此,根據最後一個定理,f是一個凸函式。
二階可微函式
設S是$\mathbb{R}^n$的一個非空子集,且$f:S\rightarrow \mathbb{R}$,則當存在一個向量$\bigtriangledown f\left (\bar{x}\right )$,一個nXn矩陣$H\left (x\right )$(稱為Hessian矩陣)和一個函式$\alpha:\mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{R}$使得以下等式成立時,f在$\bar{x} \in S$處二階可微:$f\left ( x \right )=f\left ( \bar{x}+x-\bar{x} \right )=f\left ( \bar{x} \right )+\bigtriangledown f\left ( \bar{x} \right )^T\left ( x-\bar{x} \right )+\frac{1}{2}\left ( x-\bar{x} \right )^T H\left ( \bar{x} \right )\left ( x-\bar{x} \right )+\left\|x-\bar{x}\right\|^2\alpha\left(\bar{x}, x-\bar{x}\right)$
其中 $ \alpha \left ( \bar{x}, x-\bar{x} \right )\rightarrow 0$,當$x\rightarrow \bar{x}$