04-拉格朗日对偶问题和KKT条件

2021-07-02 11:54:31 阅读：202 来源： 互联网

标签：拉格朗 star 04 KKT text quad aligned nu lambda

一、拉格朗日对偶函数二、拉格朗日对偶问题三、强弱对偶的几何解释四、鞍点解释 4.1 鞍点的基础定义 4.2 极大极小不等式和鞍点性质五、最优性条件与 KKT 条件 5.1 KKT 条件 5.2 KKT 条件与凸问题 5.3 互补松弛性六、扰动及灵敏度分析 6.1 扰动问题 6.2 灵敏度分析七、Reformulation 7.1 引入等式约束 7.2 显示约束与隐式约束的相互转化 7.3 转化目标函数与约束函数 04-拉格朗日对偶问题和KKT条件

一、拉格朗日对偶函数
二、拉格朗日对偶问题
三、强弱对偶的几何解释
四、鞍点解释
- 4.1 鞍点的基础定义
- 4.2 极大极小不等式和鞍点性质
五、最优性条件与 KKT 条件
- 5.1 KKT 条件
- 5.2 KKT 条件与凸问题
- 5.3 互补松弛性
六、扰动及灵敏度分析
- 6.1 扰动问题
- 6.2 灵敏度分析
七、Reformulation
- 7.1 引入等式约束
- 7.2 显示约束与隐式约束的相互转化
- 7.3 转化目标函数与约束函数

一、拉格朗日对偶函数

[题设] 考虑以下标准形式的优化问题：

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad & f_0(x) \\ \text{s.t.} \quad & f_i(x)\leq 0, i=1,...,m \\ &h_i(x)=0, i=1,...,p \end{aligned}$

其中 $x\in R^n$ ，设值域 $D=\cap^m_{i=0}dom~f_i\cap^p_{i=1}dom~h_i$ 不为空。
最优值记为 $p^*$ ，不假设这个问题是凸的。
拉格朗日对偶：通过添加约束的加权和来增广目标函数。

[拉格朗日函数] 定义拉格朗日函数 $L: R^n\times R^m\times R^p\rightarrow R$ 为

注：大概知道拉格朗日函数的构造形式即可，下面在拉个朗日对偶问题中会详细叙述它的作用

$L(x,\lambda,v)=f_0(x)+\sum^m_{i=1}\lambda_i f_i(x) +\sum^p_{i=1}v_ih_i(x).$

值域： $dom~L=D\times R^m \times R^p.$
拉格朗日乘子：记 $\lambda_i$ 是第 $i$ 个不等式约束 $f_i(x)\leq 0$ 的拉格朗日乘子； $v_i$ 是第 $i$ 个等式约束 $h_i(x)=0$ 的拉格朗日乘子。
乘子向量：向量 $\lambda$ 和 $v$ 称为对偶变量，或该问题的拉格朗日乘子向量。

[拉格朗日对偶函数] 定义拉格朗日对偶函数（或对偶函数） $g:R^m\times R^p\rightarrow R$ 为拉格朗日函数关于 $x$ 取得的最小值：对于 $\lambda\in R^m, v\in R^p$

$g(\lambda,v)=inf_{x\in D} L(x,\lambda,v)$

注：上面为什么用 $\inf$ 这个函数，因为解可能是趋向于一个值，而不是一个具体的值

如果关于 $x$ 无下界，那么对偶函数取值 $-\infty.$
对偶函数是凹的：因为对偶函数是一组关于 $(\lambda,v)$ 的仿射函数的逐点下确界，所以即使题设是凸的，对偶函数也是凹的

[最优值的下界] 对偶函数给出最优值 $p^*$ 的下界： $g(\lambda,v)\leq p^*$ ， $\forall \lambda\succeq 0, \forall v.$

二、拉格朗日对偶问题

[拉格朗日对偶问题] 拉格朗日函数能给出的最好下界：

$\begin{aligned} \text{maxmize} \quad &g(\lambda,v) \\ \text{s.t.} \quad & \lambda\succeq 0 \end{aligned}$

注：这里解释下为什么要这样构造拉格朗日对偶问题，首先明确拉格朗日函数的作用：因为约束条件对定义域有着很大的限制，因此通过拉格朗日函数的形式去除优化问题的约束条件，取消约束限制对定义域的限制，让优化问题更容易求解，那为什么这样做有用呢？

我们可以这样来看拉格朗日函数 $L(x,\lambda,v)=f_0(x)+\sum^m_{i=1}\lambda_i f_i(x) +\sum^p_{i=1}v_ih_i(x).$ ，其中由于约束条件 $h_i(x)=0$ 进而 $\sum^p_{i=1}v_ih_i(x) = 0$，并且如果 $\lambda_i \geq 0$ 且 $f_i(x)\leq 0$ 进而 $\sum^m_{i=1}\lambda_i f_i(x) \leq 0 $，也就是说 $L(x,\lambda,v) \leq f_0(x)$。

原问题是去寻找 $f_0(x)$ 的最小值，那么通过上述的分析，我们是不是可以找到 $L(x,\lambda,v)$ 的最小值去作为 $f_0(x)$ 的最小值呢？可以的，只不过稍微有点误差而已，但是我们却轻松地解决了带约束问题的优化问题。

为此，为了减小这个误差，我们进而又想找到 $L(x,\lambda,v)$ 的最小值中的最大值，也就有了 $g(\lambda,v)$，最重要的还是，无论原问题是否为凸问题，$g(\lambda,v)$ 都是一个凹函数。

上述称为拉格朗日对偶问题，也称原问题（primal problem）。
对偶可行：满足 $\lambda\succeq 0$ , $g(\lambda,v)>-\infty$ 称为对偶可行的。
对偶最优解（最优拉格朗日乘子）：记 $(\lambda^*,v^*)$ 为对偶问题的最优解。
拉格朗日对偶问题是凸优化问题：因为目标函数是凹函数，约束集合是凸集。

另一方面，由于不论原函数是否为凸优化问题，新的问题都是凸的，因此可以方便求解。下面举几个例子。

[例子 1]：原问题为

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& x^Tx\\ \text { s.t. } \quad& Ax=b \end{aligned} \\$

那么可以很容易得到拉格朗日函数为 $L(x,\nu)=x^Tx+\nu^T(Ax-b)$，对偶函数为 $g(\nu)=-(1/4)\nu^TAA^T\nu-b^T\nu$，也即

$p^\star\ge g(\nu)$。

[例子 2]：标准形式的线性规划(LP)

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& c^Tx\\ \text { s.t. } \quad& Ax=b,\quad x\succeq0 \end{aligned} \\$

按照定义容易得到对偶问题为

$\begin{aligned} \text { maximize } \quad& -b^T\nu\\ \text { s.t. } \quad& A^T\nu+c\succeq0 \end{aligned} \\$

[例子 3]：原问题为最小化范数

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& \Vert x\Vert\\ \text { s.t. } \quad& Ax=b \end{aligned} \\$

对偶函数为

$g(\nu)=\inf_{x} (\Vert x\Vert+\nu^T(b-Ax)) =\begin{cases}b^T\nu & \Vert A^T\nu\Vert_* \le1 \\ -\infty & o.w.\end{cases} \\$

这个推导过程中用到了共轭函数的知识。实际上上面三个例子都是线性等式约束，这种情况下，我们应用定义推导过程中可以很容易联想到共轭函数。（实际上加上线性不等式约束也可以）

[例子 4]：(原问题非凸)考虑 Two-way partitioning (不知道怎么翻译了...)

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& x^TWx\\ \text { s.t. } \quad& x_i^2=1,\quad i=1,...,n \end{aligned} \\$

对偶函数为

$\begin{aligned} g(\nu)=\inf_{x}\left( x^{T}(W+\operatorname{diag}(\nu)) x \right)-\mathbf{1}^{T} \nu =\left\{\begin{array}{ll} -\mathbf{1}^{T} \nu & W+\operatorname{diag}(\nu) \succeq 0 \\ -\infty & \text { otherwise } \end{array}\right. \end{aligned} \\$

于是可以给出原问题最优解的下界为 $p^\star\ge-\mathbf{1}^{T} \nu$ if $W+\operatorname{diag}(\nu) \succeq 0$。这个下界是不平凡的，比如可以取 $\nu=-\lambda_{\min}(W)\mathbf{1}$，可以给出 $p^\star\ge n\lambda_{\min}(W)$。

注：弱强对偶的区别，简单点说，就是我们从对偶函数 $g(\lambda,v)$ 找到的最大值是否为原函数 $f_0(x)$ 的最优解，也就是通过对偶问题求解之后，对偶问题的解和真实问题的解有没有误差

[弱对偶性] 对偶问题的最优值记为 $d^{*}$ , 是从对偶函数中得到的 $p^{*}$ 的最优下界，因此不等式

$d^{*}\leq p^{*}$ 成立即使最初问题不是凸的。这个性质称为弱对偶性。

最优对偶间隙： $p^{*}-d^{*}$

[强对偶性] 如果等式 $d^{*}=p^{*}$ 成立，即最优对偶间隙为零，那么强对偶性成立。注：如果原问题为凸优化问题，一般情况下都成立。

强对偶性成立的条件：约束准则（constraint qualifications）

[Slater's constraint qualifications(SCQ)条件] 存在 $x\in relint~D$ （relint指相对内部）使得 $f_i(x)<0, i=1,...,m$ ， $Ax=b.$

注：Slater 条件，如果简单说，就是看 $f_i(x) \lt 0$ 是否严格满足

这样的点称为严格可行点。
Slater定理说明如果Slater 条件成立（且原始问题是凸问题），那么强对偶性成立。
由于存在线性等式约束，因此实际定义域可能不存在内点，可以将这一条件放松为相对内点 $x\in\text{relint}\mathcal{D}$；
如果不等式约束中存在线性不等式，那么他也不必严格小于0。也即如果 $f_i(x)=C^Tx+d$，则只需要满足 $f_i(x)\le0$ 即可。

三、强弱对偶的几何解释

[弱对偶性] 令集合 $\mathcal{G}$ 是目标函数和约束函数的值的集合

注：看下面图片去理解的时候，需要注意，图片的阴影面积是目标函数和约束函数的值的集合，是一个集合，然后通过下面的叙述，就是从集合中找到一个支撑超平面，然后注意一些限制条件，比如$u\preceq 0$，就可以看出$p^*$ 为什么是在那里了

$\mathcal{G}=\{(f_1(x),...,f_m(x),h_1(x),...,h_p(x),f_0(x) )\in R^m\times R^p\times R| x\in D\}$

$p^{*}=inf\{t| (u,v,t)\in \mathcal{G},u\preceq 0, v=0 \}$

为了得到关于 $(\lambda,\mathcal{v})$ 的对偶函数，我们最小化仿射函数： $(u,v,t)\in \mathcal{G},$

$(\lambda,\mathcal{v},1)^T(u,v,t)=\sum^m_{i=1}\lambda_i u_i +\sum^p_{i=1}\mathcal{v}_iv_i+t$

即对偶函数为：

$g(\lambda,\mathcal{v})=inf\{(\lambda,\mathcal{v},1)^T(u,v,t)|(u,v,t)\in \mathcal{G}\}$

如果下确界是有限的，那么

$(\lambda,\mathcal{v},1)^T(u,v,t)\geq g(\lambda,\mathcal{v})$

这定义了一个 $\mathcal{G}$ 的支撑超平面（以 $(\lambda,\mathcal{v},1)$ 为法向量且与 $\mathcal{G}$ 在下方相切）。它是非垂直的。

假设 $\lambda\succeq 0$ ，如果 $u\preceq 0$ 且 $v=0$ ，那么 $t\geq (\lambda,\mathcal{v},1)^T(u,v,t).$ 因此，

$p^*\geq g(\lambda,\mathcal{v}).$

即得到了弱对偶性。

如图1，对于 $\mathcal{G}=\{(f_1(x),f_0(x))|x\in D\}$ ，给定一个 $\lambda$ ，然后在 $\mathcal{G}$ 范围内最小化 $(\lambda,1)^T(u,t)$ ，得到一个斜率为 $-\lambda$ 的支撑超平面 $t=-\lambda u+g(\lambda)$ ， $g(\lambda)$ 位于 $p^{*}$ 的下方。注：由于 $g(\lambda) = t + \lambda u$，可以得知 $g(\lambda)$ 就是 $t$ 轴的交点，也就相当于截距。
为了最大化 $g(\lambda)$ ，给 $\lambda$ 取不同的值, 如图2，即使是最优的 $\lambda^{*}$ ，给出的 $d^{*}$ 也在 $p^{*}$ 的下方，所以不满足强对偶性，只有弱对偶性。注：可以把这看成是一个迭代的过程

注：再次讲讲 $p^*$ 的来源，那么 $p^\star$ 体现在哪个点呢？由于对于原优化问题，我们有 $f_1(x)\le0$，因此体现在这个图里面就是 $u\le0$，也就是上面左图当中的红色区域，而 $p^\star=\min f_0(x)=\min t$。

[弱对偶性的证明]：我们有 $\lambda\ge0$

$\begin{aligned} p^\star &= \inf\{t|(u,v,t)\in\mathcal{G},u\le0,v=0\} \\ &\ge \inf\{t+\lambda^Tu+\mu^Tv|(u,v,t)\in\mathcal{G},u\le0,v=0\} \\ &\ge \inf\{t+\lambda^Tu+\mu^Tv|(u,v,t)\in\mathcal{G}\} \\ &= g(\lambda,\mu) \end{aligned} \\$

[强对偶性条件 Slater’s constraint qualiﬁcation(SCQ) 的证明]：由 $g(\lambda,\mu)=\inf_{(u,v,t)\in\mathcal{G}}(t+\lambda^T u+\mu^Tv)$ 可以得到

$(\lambda,\mu,1)^T(u,v,t)\ge g(\lambda,\mu),\quad \forall (u,v,t)\in\mathcal{G} \\$

这实际上定义了 $\mathcal{G}$ 的一个超平面。特别的有 $(0,0,p^\star)\in\text{bd}\mathcal{G}$，因此也有

$(\lambda,\mu,1)^T(0,0,p^\star)\ge g(\lambda,\mu) \\$

这个不等式可以自然地导出弱对偶性，当“=”成立时则可以导出强对偶性。那么什么时候取等号呢？点 $(0,0,p^\star)$ 为支撑点的时候！也就是说

如果在边界点 $(0,0,p^\star)$ 处存在一个非竖直的支撑超平面，那么我们就可以找到 $\lambda,\mu$ 使得上面的等号成立，也就是得到了强对偶性。

注意前面的分析中我们并没有提到 SCQ，那么 SCQ 是如何保证强对偶性的呢？注意 SCQ 要求存在 $x\in\mathcal{D}$ 使得 $f(x)<0$，这也就意味着 $\mathcal{G}$ 在 $u< 0$ 半平面上有点，因此如果支撑超平面存在的话，就一定不是垂直的。

但这又引出另一个问题，那就是支撑超平面一定存在吗？答案是一定存在，这是由原问题的凸性质决定的。为了证明这一点，我们可以引入一个类似于 epigraph 的概念：

$\begin{aligned} \mathcal{A} &= \mathcal{G} + (R^m_+\times \{0\}\times R_+) \\ &= \left\{(u,v,t) |\ \exists x\in\mathcal{D},s.t. f(x)\le u,h(x)=v,f_0(x)\le t\right\} \end{aligned} \\$

由于原优化问题为凸的，可以应用定义证明集合 $\mathcal{A}$ 也是凸的，同时 $(0,0,p^\star)\in\text{bd}\mathcal{A}$，那么集合 $\mathcal{A}$ 在 $(0,0,p^\star)$ 点就一定存在一个支撑超平面。又由 SCQ 可知这个支撑超平面一定不是竖直的，因此就可以得到强对偶性了。

注：$(\lambda,\mu,1)^T(u,v,t)\ge g(\lambda,\mu),\quad \forall (u,v,t)\in\mathcal{A}$ 也成立。

注：说实话，这里我也有点半知半解，数学公式看的太乱了，反正要注意，$u$ 相当于 $f_i(x)$，$v$ 相当于 $h_i(x)$。我只能说说我浅显的理解，就是从图中看，确保坐标轴 $u$ 的负半轴有一个支撑超平面，且这个支撑超平面不是垂直的，那么 $p^* \geq d^*$ 就被保证了。

四、鞍点解释

4.1 鞍点的基础定义

[鞍点定义]：一个不是局部最小值的驻点（一阶导数为0的点）称为鞍点。注：鞍点的数学含义是——目标函数在此点上的梯度（一阶导数）值为 0，但从该点出发的一个方向是函数的极大值点，而在另一个方向是函数的极小值点。

[判断鞍点的一个充分条件]：函数在一阶导数为零处（驻点）的黑塞矩阵为不定矩阵（特征值有正有负的矩阵为不定矩阵）。

下面对函数 $z=x^2-y^2$ 的驻点 $(0,0)$ 判断是否为鞍点。函数图像如下（红点为图像的鞍点)：

我们根据定义来判断 $(0,0)$ 点的 Hessian 矩阵：

我们容易求得二元函数 $z=x^2−y^2$ 在驻点 $ (0,0) $ 处的 Hessian 矩阵形式为：

容易解出特征值一个为 $2$，一个为 $-2$（有正有负），显然是不定矩阵，所以该点是鞍点。

注：函数在一阶导数为零处（驻点）的 Hessian 矩阵为不定矩阵只是判断该点是否为鞍点的充分条件，也就是说函数在一阶导数为零处（驻点）的 Hessian 矩阵不满足不定矩阵的定义，也不一定能够说明它不是鞍点。比如在 $z=x^4−y^4$ 点 $ (0,0)$ 处的 Hessian 矩阵是一个 0 矩阵,并不满足是不定矩阵，但是它是一个鞍点。

4.2 极大极小不等式和鞍点性质

[极大极小不等式]：对任意 $f$ ：$R^n × R^m \rightarrow R,\quad W \subseteq R^n Z \subseteq R^m$，有

\[\underset{z\in Z}{sup}\,\underset{w\in W}{inf}\,f(w,z) \leq \underset{w\in W}{inf} \, \underset{z\in Z}{sup}\,f(w,z) \]

对于上述这个不等式一般称为极大极小不等式。如果等式成立，即

\[\underset{z\in Z}{sup}\,\underset{w\in W}{inf}\,f(w,z) = \underset{w\in W}{inf} \, \underset{z\in Z}{sup}\,f(w,z) \]

则称 $f$（以及 $W$ 和 $Z$）满足强极大极小性质或者鞍点性质。

[鞍点性质]：注：这个解释更多的是为了下面讲述 KKT 条件，其实就是注意下这个强极大极小性质就是鞍点性质

我们称一对 $\hat w \in W, \hat z \in Z$ 是函数 $f$ （以及 $W$ 和 $Z$）的鞍点，如果对任意的 $w \in W$ 和 $z \in Z$ 下式成立：

\[f(\hat w,z) \leq f(\hat w \hat z) \leq f(w, \hat z) \]

也就是说，$f(x,\hat z)$ 在 $\hat w$ 处取得最小值（关于变量 $w\in W$），$f(\hat w, z)$ 在 $\hat z$ 处取得最大值（关于变量 $z \in Z$）:

\[f(\hat w, \hat z) = \inf_{w\in W} f(w, \hat z), \quad f(\hat w, \hat z) = \sup_{z \in Z} f(\hat w, z) \]

该式满足强极大极小性质，且共同值为 $f(\hat w, \hat z)$，也就是上述说的，$\hat w$ 和 $\hat z$ 为 $f$ 的鞍点。

五、最优性条件与 KKT 条件

5.1 KKT 条件

我们首先回顾一下拉格朗日函数，考虑下面的优化问题

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& f_{0}(x)\\ \text { s.t. } \quad& f_{i}(x) \leq 0, \quad i=1, \ldots, m\\ &h_{i}(x)=0, \quad i=1, \ldots, p \end{aligned} \\$

那么他的拉格朗日函数就是

$L(x,\lambda,\nu)=f_0(x)+\lambda^Tf(x)+\nu^Th(x) \\$

首先，我们看对偶函数

$g(\lambda,\nu)=\inf_{x\in\mathcal{D}}\left(f_0(x)+\lambda^Tf(x)+\nu^Th(x)\right) \\$

对偶问题实际上就是

$d^\star = \sup_{\lambda,\nu}g(\lambda,\nu)=\sup_{\lambda,\nu}\inf_x L(x,\lambda,\nu) \\$

然后我们再看原问题，由于 $\lambda\succeq0,f(x)\preceq0$，我们有

$f_0(x)=\sup_{\lambda,\nu}L(x,\lambda,\nu) \\$

原问题的最优解实际上就是

$p^\star=\inf_x f_0(x)= \inf_x \sup_{\lambda,\nu}L(x,\lambda,\nu) \\$

弱对偶性 $p^\star \ge d^\star$ 实际上说的是什么呢？就是 max-min 不等式

$\inf_x \sup_{\lambda,\nu}L(x,\lambda,\nu) \ge \sup_{\lambda,\nu}\inf_x L(x,\lambda,\nu) \\$

强对偶性说的又是什么呢？就是上面能够取等号

$\inf_x \sup_{\lambda,\nu}L(x,\lambda,\nu) = \sup_{\lambda,\nu}\inf_x L(x,\lambda,\nu) = L({x}^\star,{\lambda}^\star,{\nu}^\star) \\$

注：实际上 ${x}^\star,{\lambda}^\star,{\nu}^\star$ 就是拉格朗日函数的鞍点！！！（数学家们真实太聪明了！！！妙啊！！！）那么也就是说强对偶性成立等价于拉格朗日函数存在鞍点(在定义域内)。

好，如果存在鞍点（一阶导为 0）的话，我们怎么求解呢？还是看上面取等的式子

$\begin{aligned} f_0({x}^\star) = g(\lambda^\star,\nu^\star) &= \inf_x \left( f_0(x)+\lambda^{\star T}f(x)+\nu^{\star T}h(x) \right) \\ & \le f_0(x^\star)+\lambda^{\star T}f(x^\star)+\nu^{\star T}h(x^\star) \\ & \le f_0(x^\star) \end{aligned} \\$

这两个不等号必须要取到等号，而第一个不等号取等条件应为（鞍点一阶导为 0）

$\nabla_x \left( f_0(x)+\lambda^{\star T}f(x)+\nu^{\star T}h(x) \right) =0 \\$

第二个不等号取等条件为（这个条件成立，等号才能取到）

$\lambda^\star_i f_i(x^\star)=0,\forall i \\$

同时，由于 ${x}^\star,{\lambda}^\star,{\nu}^\star$ 还必须位于定义域内，需要满足约束条件，因此上面的几个条件共同构成了 KKT 条件。

KKT 条件

原始约束 $f_i(x)\le0,i=1,...,m, \quad h_i(x)=0,i=1,...,p$
对偶约束 $\lambda\succeq0$
互补性条件(complementary slackness) $\lambda_i f_i(x)=0,i=1,...,m$
梯度条件

$\nabla f_{0}(x)+\sum_{i=1}^{m} \lambda_{i} \nabla f_{i}(x)+\sum_{i=1}^{p} \nu_{i} \nabla h_{i}(x)=0 \\$

5.2 KKT 条件与凸问题

Remarks(重要结论)

前面推导没有任何凸函数的假设，因此不论是否为凸问题，如果满足强对偶性，那么最优解一定满足 KKT 条件。
但是反过来不一定成立，也即 KKT 条件的解不一定是最优解，因为如果 $L(x,\lambda^\star,\nu^\star)$ 不是凸的，那么 $\nabla_x L=0$ 并不能保证 $g(\lambda^\star,\nu^\star)=\inf_x L(x,\lambda^\star,\nu^\star)\ne L(x^\star,\lambda^\star,\nu^\star)$，也即不能保证 ${x}^\star,{\lambda}^\star,{\nu}^\star$ 就是鞍点。

但是如果我们假设原问题为凸问题的话，那么 $L(x,\lambda^\star,\nu^\star)$ 就是一个凸函数，由梯度条件 $\nabla_x L=0$ 我们就能得到 $g(\lambda^\star,\nu^\star)=L(x^\star,\lambda^\star,\nu^\star)=\inf_x L(x,\lambda^\star,\nu^\star)$，另一方面根据互补性条件我们有此时 $f_0(x^\star)=L(x^\star,\lambda^\star,\nu^\star)$，因此我们可以得到一个结论

Remarks(重要结论)：

考虑原问题为凸的，那么若 KKT 条件有解 $\tilde{x},\tilde{\lambda},\tilde{\nu}$，则原问题一定满足强对偶性，且他们就对应原问题和对偶问题的最优解。
但是需要注意的是，KKT 条件可能无解！此时就意味着原问题不满足强对偶性！

假如我们考虑上一节提到的 SCQ 条件，如果凸优化问题满足 SCQ 条件，则意味着强对偶性成立，则此时有结论

Remarks(重要结论)：
如果 SCQ 满足，那么 $x$ 为最优解当且仅当存在 $\lambda,\nu$ 满足 KKT 条件！

[例子 1]：等式约束的二次优化问题 $P\in S_+^n$

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& (1/2)x^TPx+q^Tx+r \\ \text { s.t. } \quad& Ax=b \end{aligned} \\$

那么经过简单计算就可以得到 KKT 条件为

$\left[\begin{array}{cc} P & A^{T} \\ A & 0 \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} x^{\star} \\ \nu^{\star} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} -q \\ b \end{array}\right] \\$

5.3 互补松弛性

假设原问题和对偶问题的最优值都可以达到且相等。令 $x^*$ 是原问题的最优解， $(\lambda^*, \nu^*)$ 是对偶问题的最优解。这表明，

$\begin{align} f_0(x^*) &= g(\lambda^*, \nu^*) \\ & = \inf_{x} \Big(f_0(x) + \sum_{i=1}^m \lambda_i^* f_i(x) + \sum_{i=1}^p \nu_i^* h_i(x)\Big) \\ &\leq f_0(x^*) + \sum_{i=1}^m \lambda_i^* f_i(x^*) + \sum_{i=1}^p \nu_i^* h_i(x^*)\\ &\leq f_0(x^*) \end{align} \tag{8}$

其中第一个等式是因为强对偶的定义，第二个等式是Lagrange函数的定义，第三个不等式是根据Lagrange函数关于 $x$ 求下确界小于等于其在 $x^*$ 处的值(请确保你理解这个不等式)，最后一个不等式是因为 $\lambda_i^* \ge0, f_i(x^*) \leq 0, i = 1, \cdots, m$ 以及 $h_i(x^*) = 0, i =1, \cdots, p$ 。因此，在上面的式子链中，两个不等式取等号。

由于第三个不等式可以取等式，这里有一个重要的结论：

$\sum_{i=1}^m \lambda_i^* f_i(x^*) = 0 \\$

事实上，求和的每一项都非正，因此有：

$\lambda_i^* f(x_i^*) = 0 \quad i = 1, \cdots, m \\$

所以，

$\lambda_i^* > 0 \Rightarrow f_i(x^*) = 0 \\ f_i(x_i^*) < 0 \Rightarrow \lambda_i^* = 0$

注：这表明在最优点处，原问题的不等式起作用时，对于的Lagrange问题的对应的不等式不起作用，反之亦然。

六、扰动及灵敏度分析

6.1 扰动问题

注：扰动其实就是约束条件多了点限制

现在我们再回到原始问题

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& f_{0}(x)\\ \text { s.t. } \quad& f_{i}(x) \leq 0, \quad i=1, \ldots, m\\ &h_{i}(x)=0, \quad i=1, \ldots, p \end{aligned} \\$

我们引入了对偶函数 $g(\lambda,\nu)$，那这两个参数 $\lambda,\nu$ 有什么含义吗？假如我们把原问题放松一下

$\begin{aligned} \text { minimize } \quad& f_{0}(x)\\ \text { s.t. } \quad& f_{i}(x) \leq u_i, \quad i=1, \ldots, m\\ &h_{i}(x)=v_i, \quad i=1, \ldots, p \end{aligned} \\$

记最优解为 $p^\star(u,v)=\min f_0(x)$，现在对偶问题变成了

$\begin{aligned} \max \quad& g(\lambda,\nu)-u^T\lambda -v^T\nu\\ \text{s.t.} \quad& \lambda\succeq0 \end{aligned} \\$

假如说原始对偶问题的最优解为 $\lambda^\star,\nu^\star$，松弛后的对偶问题最优解为 $\tilde{\lambda},\tilde{\nu}$，那么根据弱对偶性原理，有

$\begin{aligned} p^\star(u,v) &\ge g(\tilde\lambda,\tilde\nu)-u^T\tilde\lambda -v^T\tilde\nu \\ &\ge g(\lambda^\star,\nu^\star)-u^{T}\lambda^\star -v^{T}\nu^\star \\ &= p^\star(0,0) - u^{T}\lambda^\star -v^{T}\nu^\star \end{aligned} \\$

这像不像关于 $u,v$ 的一阶近似？太像了！实际上，我们有

$\lambda_{i}^{\star}=-\frac{\partial p^{\star}(0,0)}{\partial u_{i}}, \quad \nu_{i}^{\star}=-\frac{\partial p^{\star}(0,0)}{\partial v_{i}} \\$

6.2 灵敏度分析

注：细节我也没认真看，其实看看下述给出的灵敏度解释，也就是大概知道扰动会对结果造成什么影响就行了

如果$\lambda_i^*$比较大，加强第i个约束，即$u_i< 0$，则最优值$P^*(u,l)$会大幅增加。
如果$\lambda_i^*$比较小，放松第i个约束，即$u_i> 0$，则最优值$P^*(u,l)$不会减小太多。
如果$v_i^*$比较大且大于0，$l_i< 0]$，或者如果$v_i^*$比较大且小于0，$l_i> 0$，则最优值$P^*(u,l)$会大幅增加。
如果$v_i^*$比较小且大于0，$l_i> 0$，或者如果$v_i^*$比较大且小于0，$l_i< 0$，则最优值$P^*(u,l)$不会减少太多。

七、Reformulation

前面将凸优化问题的时候，我们提到了Reformulation的几个方法来简化原始问题，比如消去等式约束，添加等式约束，添加松弛变量，epigraph等等。现在当我们学习了对偶问题，再来重新看一下这些方法。

7.1 引入等式约束

[例子 1】：考虑无约束优化问题 $\min f(Ax+b)$，他的对偶问题跟原问题是一样的。如果我们引入等式约束，原问题和对偶问题变为

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& f_{0}(y) \quad \\ \text{s.t.} \quad& A x+b-y=0 \end{aligned} \quad\qquad \begin{aligned} \text{minimize} \quad& b^{T} \nu-f_{0}^{*}(\nu) \\ \text{s.t.} \quad& A^{T} \nu=0 \end{aligned} \\$

[例子 2]：考虑无约束优化 $\min \Vert Ax-b\Vert$，类似的引入等式约束后，对偶问题变为

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& b^{T} \nu \\ \text{s.t.} \quad& A^{T} \nu=0,\quad \Vert\nu\Vert_*\le1 \end{aligned} \\$

7.2 显示约束与隐式约束的相互转化

[例子 3]：考虑原问题如下，可以看出来对偶问题非常复杂

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& c^{T} x \\ \text{s.t.} \quad& A x=b \\ \quad& -1 \preceq x \preceq 1 \end{aligned} \begin{aligned} \text{maximize} \quad& -b^{T} \nu-\mathbf{1}^{T} \lambda_{1}-\mathbf{1}^{T} \lambda_{2} \\ \text{s.t.} \quad& c+A^{T} \nu+\lambda_{1}-\lambda_{2}=0 \\ \quad& \lambda_{1} \succeq 0, \quad \lambda_{2} \succeq 0 \end{aligned} \\$

如果我们原问题的不等式约束条件转化为隐式约束，则有

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& f_{0}(x)=\left\{\begin{array}{ll}c^{T} x & \Vert x\Vert_\infty \preceq 1 \\ \infty & \text { otherwise }\end{array}\right. \\ \text{s.t.} \quad& A x=b \end{aligned} \\$

然后对偶问题就可以转化为无约束优化问题

$\text{maximize} -b^T\nu-\Vert A^T\nu +c\Vert_1 \\$

7.3 转化目标函数与约束函数

[例子 4]：还考虑上面提到的无约束优化问题 $\min \Vert Ax-b\Vert$，我们可以把目标函数平方一下，得到

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& (1/2)\Vert y\Vert^2 \\ \text{s.t.} \quad& Ax-b=y \end{aligned} \\$

然后对偶问题就可以转化为

$\begin{aligned} \text{minimize} \quad& (1/2)\Vert \nu\Vert_*^2+ b^T\nu \\ \text{s.t.} \quad& A^T\nu=0 \end{aligned} \\$

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