简单介绍处理不等式约束问题的内点法的算法流程。

不等式约束的极小化问题

min⁡f0(x)\min f_0(x)

s.t.fi(x)≤0s.t.\quad f_i(x)\le0

Ax=bAx=b

假设该问题可解,即存在最优的x⋆x^\star,用p⋆p^\star表示最优值f0(x⋆)f_0(x^\star)。

用内点法求解问题,主要分为两种:

  1. 用Newton方法或者求解一系列等式约束问题
  2. 求解一系列KKT条件的修改形式

这里只讨论一种特殊的内点法--障碍法。

对数障碍函数和中心路径

一种尝试是将不等式约束问题近似转化为等式约束问题,从而应用Newton方法求解。 因此,可以将原问题写成:

min⁡f0(x)+∑i=1mI(fi(x))\min f_0(x)+\sum_{i=1}^m I(f_i(x))

s.t.Ax=bs.t.\quad Ax= b

其中I()I()是非正实数的示性函数:

I(u){0u≤0∞u>0 I(u)\left\{\begin{array}{ll} 0 & u \leq 0 \\ \infty & u>0 \end{array}\right. 这样,我们就成功转化为等式约束,可以,目标函数一般情况下不可微,因此不能运用Newton方法。

对数障碍

既然示性函数不可微,我们很自然的想法就是找一个近似的可微函数来代替:

I^(u)=−(1/t)log⁡(−u) \hat{I}(u)=-(1 / t) \log (-u) 我们可以画出对数障碍函数的图像发现,是非减函数,并且当u>0u>0时取值为∞\infty,符合我们的要求。

我们将函数ϕ(x)=−∑i=1mlog⁡(−fi(x))\phi (x) = -\sum_{i=1}^m \log (-f_i(x))称为对数障碍函数。可以将等式约束问题重写为:

min⁡f0(x)+∑i=1m−(1/t)log⁡(−fi(x)) \min f_{0}(x)+\sum_{i=1}^{m}-(1 / t) \log \left(-f_{i}(x)\right)

s.t.Ax=b s.t.\quad Ax= b

既然对数障碍只是原问题的近似,因此需要回答的问题就是其解的效果与最优解差距多大?这个问题将在中心路径中解决。

先给出对数障碍的梯度和Hessian矩阵:

∇ϕ(x)=∑i=1m1−fi(x)∇fi(x) \nabla \phi(x)=\sum_{i=1}^{m} \frac{1}{-f_{i}(x)} \nabla f_{i}(x)

∇2ϕ(x)=∑i=1m1fi(x)2∇fi(x)∇fi(x)T+∑i=1m1−fi(x)∇2fi(x) \nabla^{2} \phi(x)=\sum_{i=1}^{m} \frac{1}{f_{i}(x)^{2}} \nabla f_{i}(x) \nabla f_{i}(x)^{T}+\sum_{i=1}^{m} \frac{1}{-f_{i}(x)} \nabla^{2} f_{i}(x)

中心路径

考虑等价问题:

min⁡tf0(x)+ϕ(x)\min tf_0(x)+\phi (x)

s.t.Ax=bs.t.\quad Ax= b

这里只是多乘了一个tt,对最优解没有影响。

对任意t>0t>0,我们用x⋆(t)x^\star(t)表示问题的最优解,tt为中心点,将这些点的集合定义为问题的中心路径。

所有中心路径上的点满足以下充要条件:

Ax⋆(t)=b,fi(x⋆(t))<0Ax^\star(t)=b,\quad f_i(x^\star(t))<0

t▽f0(x⋆(t))+▽ϕ(x⋆(t))+ATv^=0t\triangledown f_{0}(x^\star(t))+\triangledown \phi (x^\star(t))+A^T \hat{v} = 0

中心路径的对偶点

g(λ⋆(t),v⋆(t))=f0(x⋆(t))−m/t≤p⋆g(\lambda^\star(t),v^\star(t)) = f_0(x^\star(t)) - m/t \le p^\star

证明了x⋆(t)x^\star(t)随着t⇒∞t \Rightarrow \infty而收敛于最优解。

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