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Constrained Optimization - Solvi

Constrained Optimization - Solvi

作者: shudaxu | 来源:发表于2021-05-26 15:34 被阅读0次

    Intuition of KKT

    finding supporting hyperplane[1]

    设定

    Lagrange multiplier本身适用于等式constraints,KKT multiplier适用于非等式,是Lagrange的一个泛化。
    \min_{ \vec x \in R^n} f(\vec x)
    s.t.\{ g_i(\vec x) \leq 0,h_j(\vec x) = 0\}

    KKT condition

    可见之前的讨论[4]

    KKT Qualification

    即在什么情况下,原问题的极值点\vec x^*需要满足KKT condition
    常用:
    LCQ:等式与不等式约束都为仿射affine变换。
    LICQ:对于激活[2] 的不等式约束,与等式约束,在极值处的gradient是线性无关的。(在向量空间中,对于一组向量,存在任意非全0的线性组合使其和为0,则为线性相关)
    SC:Slater's condition,f,g_i是convex,h_i都是仿射变换。

    Solving KKT System

    • 一般情况:
      1、对于关于自变量梯度为0得到的方程组(行数跟自变量x_i数量n一致,一般为n阶非齐次方程组),可以求解得到x_i关于\lambda_j的表达式的解。
      2、再将自变量的解带入(x_i替换为\lambda_j),得到\lambda的方程组(行数跟限制条件数量一致,即关于\lambda的方程组)求解出\lambda后再得到目标解x^*

    • 情况讨论:
      由于,方程组可能有解,也可能无解,也可能有多个解。或者根本无法得到简洁的解析解。因此,通常而言对KKT system的求解并不是直接的,除非有解析解[3],此时,很可能需要用一些数值解法来求解。
      一个可参考的实际问题求解过程可以见[5],By case,演绎推导。
      我们的一些优化方法,都可以被解释为对KKT system的一种解法。

    • 其他
      如果当前问题比较难解。则通过对偶化等方式,可能能得到更简洁的解。

    Refer
    [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Supporting_hyperplane
    相关理论,https://en.wikipedia.org/wiki/Hyperplane_separation_theorem

    [2]:只有当c_i(x)=0,即x在边界处时,才是激活的。即其项对应的kkt乘子\lambda_i > 0

    [3]求解思路:
    Doc:A Karush-Kuhn-Tucker Example
    The system of equations and inequalities corresponding to the KKT conditions is usually not solved directly, except in the few special cases where a [closed-form] solution can be derived analytically. In general, many optimization algorithms can be interpreted as methods for numerically solving the KKT system of equations and inequalities

    [4]KKT conditions:
    https://www.jianshu.com/p/1a733971b25e
    KKT condition for convex:
    sufficiency?:https://math.stackexchange.com/questions/2325637/sufficiency-of-kkt-conditions-when-the-objective-function-is-convex-on-the-inter
    sufficient or necessary?https://math.stackexchange.com/questions/2513300/is-kkt-conditions-necessary-and-sufficient-for-any-convex-problems
    Connection between KKT condition & EL equation:
    https://math.stackexchange.com/questions/1898887/connection-between-euler-lagrange-equations-and-kkt

    [5]求解过程
    例:https://www.jianshu.com/writer#/notebooks/31109505/notes/87921110/preview
    例&dual:https://math.stackexchange.com/questions/2829235/kkt-optimality-conditions-in-optimization-exercise
    例:https://math.stackexchange.com/questions/3197212/solve-kkt-conditions-of-the-following-problem,(评论)

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