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拉格朗日对偶问题

(2018-10-21 22:35:27)
标签:

拉格朗日

kkt

分类: 大数据处理
本文参考:
1、https://www.cnblogs.com/ooon/p/5723725.html
2、https://blog.csdn.net/ytusdc/article/details/78904035
3、https://blog.csdn.net/blackyuanc/article/details/67640844
4、https://blog.csdn.net/xierhacker/article/details/72673207

一、目标函数形式
    在优化理论中,目标函数f(x)会有多种形式:如果目标函数和约束条件都为变量x的线性函数,称该问题为线性规划;如果目标函数为二次函数,约束条件为线性函数,称该最优化问题为二次规划;如果目标函数或者约束条件均为非线性函数,称该最优化问题为非线性规划。每个线性规划问题都有一个与之对应的对偶问题,对偶问题有非常良好的性质:
(1)对偶问题的对偶是原问题
(2)无论原始问题是否为凸的,对偶问题都是凸优化问题(这里说的是凸优化而非凸函数,事实上对偶函数都是凹函数)
(3)对偶问题可以给出原始问题一个下界
(4)当满足一定条件时,原始问题与对偶问题的解是完全等价的
举例说明(对偶的图像应该是错误的,因为对偶函数都是凹函数):
拉格朗日对偶问题

二、拉格朗日乘数法思想
    将含有n个变量和k个约束条件的约束优化问题转化为含有(n+k)个变量的无约束优化问题。拉格朗日问题的约束都是等号形式的。
    广义拉格朗日乘数法:不等式约束比等式约束更为常见,扩展了拉格朗日乘数法,增加了KKT条件之后可以用拉格朗日乘数法求解不等式约束的优化问题。
    KKT条件:满足一些有规则的条件下,一个非线性规划问题能有最优化解法的一个必要和充分条件。

三、原始问题与对偶问题
    给出不等式约束优化问题
拉格朗日对偶问题
    拉格朗日定义如下:

拉格朗日对偶问题
    根据以上公式可以得到一个重要结论:
拉格朗日对偶问题

    因为满足约束条件的x会使得拉格朗日对偶问题,因此第二项消掉了;而拉格朗日对偶问题拉格朗日对偶问题,从而拉格朗日对偶问题,所以最大值只能在它们都取零的时候得到,这个时候就只剩下f(x)了。反之如果有任意一个约束条件不满足,则只需令其相应的乘子趋于拉格朗日对偶问题,则会得到拉格朗日对偶问题,这样将导致问题无解,因此必须满足约束条件。经过这样一转变,约束都融合到了一起而得到如下的无约束的优化目标:
拉格朗日对偶问题
    上式与原优化问题等价,将之称作原始问题,其实只是一个形式上的重写,方便找到其对应的对偶问题。其对偶问题表述为:
拉格朗日对偶问题

    对偶函数与原始问题的形式非常类似,只是把min和max交换了一下。
    记原始问题的解为拉格朗日对偶问题,对偶问题的解为拉格朗日对偶问题。对偶问题和原始问题的最优解并不相等,而是满足如下关系:
拉格朗日对偶问题
    无论原始问题是什么形式,对偶问题总是一个凸优化的问题。即:拉格朗日对偶函数一定是凹函数,且其凹性与最优化函数和约束函数无关,具体证明见:https://blog.csdn.net/u014540876/article/details/79153913

四、KKT条件
  
    拉格朗日对偶问题是弱对偶性,而拉格朗日对偶问题是强对偶性。强对偶是一个非常好的性质,因为在强对偶成立的情况下,可以通过求解对偶问题来得到原始问题的解。其实只要满足一些条件,强对偶性是成立的,比如说KKT条件。
    假设拉格朗日对偶问题分别是原始问题(并不一定是凸的)和对偶问题的最优解,且满足强对偶性,则相应的极值的关系满足:
拉格朗日对偶问题
由此可得到KKT条件:
拉格朗日对偶问题

总结来说:任何满足强对偶性的优化问题,只要其目标函数与约束函数可微,任一对原始问题与对偶问题的解都是满足KKT条件的。




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