Lagrangian乘子法 对偶问题 KKT条件 Slater条件 与凸优化

现有标准形式的约束优化问题如下：
$\min_{x}f(x)\\ s.t. \ f_i(x)\le0,i=1,\cdots,m;Ax=b,$xmin​f(x)s.t. fi​(x)≤0,i=1,⋯,m;Ax=b,
或写作：
$\min_{x}f(x)\\ s.t. \ f_i(x)\le0,i=1,\cdots,m\\ h_i(x)=0,i=1,\cdots,q$xmin​f(x)s.t. fi​(x)≤0,i=1,⋯,mhi​(x)=0,i=1,⋯,q
目标就是使用凸优化的方法解决这一问题。

Lagrangian乘子法与极小-极大化原始问题

利用Lagrangian乘子法，上述约束优化问题可以松弛为无约束优化问题：
$\min L(x,\lambda,v)=f(x)+\sum_{i=1}^m\lambda_if_i(x)+\sum_{i=1}^qv_ih_i(x) \tag{1}$minL(x,λ,v)=f(x)+i=1∑m​λi​fi​(x)+i=1∑q​vi​hi​(x)(1)
上式为Lagrangian函数。这里约束$\lambda_i \ge0$λi​≥0，记做$\lambda=[\lambda_1,\cdots,\lambda_m]^T\succeq0$λ=[λ1​,⋯,λm​]T⪰0，而对$v_i$vi​没有任何约束。
观察公式$(1)$(1)知，当$\lambda_i$λi​取很大的正值时，公式$(1)$(1)会趋于负无穷，因此需要将Lagrangian函数极大化：
$J_1(x)=\max_{\lambda \succeq0,v}(f(x)+\sum_{i=1}^m\lambda_if_i(x)+\sum_{i=1}^qv_ih_i(x))\tag{2}$J1​(x)=λ⪰0,vmax​(f(x)+i=1∑m​λi​fi​(x)+i=1∑q​vi​hi​(x))(2)
这是一个无约束极大化问题。然而上式还存在一个问题：当$f_i(x)$fi​(x)违反约束而$>0$>0时，会导致$J_1$J1​无穷大。只有$x$x满足全部原始约束时，才有$J_1(x)=f(x)$J1​(x)=f(x). 因此为了得到全部约束条件下$f(x)$f(x)的极小解，需要将$J_1(x)$J1​(x)极小化：
$J_p(x)=\min_xJ_1(x)=\min_x\max_{\lambda \succeq0,v}L(x,\lambda,v)\tag{3}$Jp​(x)=xmin​J1​(x)=xmin​λ⪰0,vmax​L(x,λ,v)(3)
公式$(3)$(3)是一个极小-极大化问题，其解就是Lagrangian函数$L(x,\lambda,v)$L(x,λ,v)的上确界（supremum），即最小上界。这是原始约束极小化问题变成无约束极小化问题后的代价函数，简称原始问题。而且有：
$p^*=J_p(x^*)=\min_x f(x)=f(x^*)$p∗=Jp​(x∗)=xmin​f(x)=f(x∗)

对偶问题

考虑由Lagrangian函数$L(x,\lambda,v)$L(x,λ,v)构造另一个目标函数：
$J_2(\lambda,v)=\min_xL(x,\lambda,v) \\ =\min_{x}(f(x)+\sum_{i=1}^m\lambda_if_i(x)+\sum_{i=1}^qv_ih_i(x))\tag{3}$J2​(λ,v)=xmin​L(x,λ,v)=xmin​(f(x)+i=1∑m​λi​fi​(x)+i=1∑q​vi​hi​(x))(3)
类似地，若$x$x满足所有约束，$J_2(\lambda,v)$J2​(λ,v)就等于$\min_xf(x)$minx​f(x)，否则的话也可能取到负无穷的值。因此也需要为$J_2(\lambda,v)$J2​(λ,v)做极大化：
$J_D(\lambda,v)=\max_{\lambda \succeq0,v}J_2(\lambda,v)=\max_{\lambda \succeq0,v}\min_xL(x,\lambda,v) \tag{4}$JD​(λ,v)=λ⪰0,vmax​J2​(λ,v)=λ⪰0,vmax​xmin​L(x,λ,v)(4)
该问题是原始问题的对偶问题，是Lagrangian函数的极大-极小化问题，其解就是Lagrangian函数的下确界，即最大下界。

由公式$(4)$(4)定义的对偶问题是一个凹函数，其下界是负无穷，其任意一个局部极值点都是一个全局极值点。因此有约束极小化问题通过Lagrangian乘子法变成了无约束凹函数的极大化问题，此方法称为Lagrangian对偶法。其最优解记做：
$d^*=J_D(\lambda^*,v^*)$d∗=JD​(λ∗,v∗)

因为一个是最大下界，一个是最小上界，显然有：
$d^*\le p^*$d∗≤p∗
当$d^*\le p^*$d∗≤p∗时，称Lagrangian对偶法具有弱对偶性；
当$d^*=p^*$d∗=p∗时，称Lagrangian对偶法具有强对偶性。

KKT条件

前面已知
$d^*\le \min_x f(x)=p^*$d∗≤xmin​f(x)=p∗
称$p^*-d^*$p∗−d∗为对偶间隙。令$x^*$x∗和$(\lambda^*,v^*)$(λ∗,v∗)分别表示对偶间隙为$0$0时的任意原始最优点和对偶最优点。由于$x^*$x∗使Lagrangian函数$L(x,\lambda^*,v^*)$L(x,λ∗,v∗)在所有原始可行点$x$x中最小化，因此在该点的梯度向量必然为0向量：
$f'(x^*)+\sum_{i=1}^m\lambda_i^*f'_i(x^*)+\sum_{i=1}^qv^*_ih'_i(x^*)$f′(x∗)+i=1∑m​λi∗​fi′​(x∗)+i=1∑q​vi∗​hi′​(x∗)
于是，Lagrangian对偶无约束优化问题的Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件（局部极小解的一阶必要条件）为：

• $f_i(x*)\le0,i=1,\cdots,m$fi​(x∗)≤0,i=1,⋯,m（原始不等式约束）
• $h_i(x^*)=0, i=1,\cdots,q$hi​(x∗)=0,i=1,⋯,q （原始等式约束）
• $\lambda_i^*\ge0,i=1,\cdots,m$λi∗​≥0,i=1,⋯,m（Lagrangian乘子法的非负性）
• $\lambda_i^*f_i(x^*)=0,i=1,\cdots,m$λi∗​fi​(x∗)=0,i=1,⋯,m（互补松弛条件）
• $f'(x^*)+\sum_{i=1}^m\lambda_i^*f'_i(x^*)+\sum_{i=1}^qv^*_ih'_i(x^*)$f′(x∗)+∑i=1m​λi∗​fi′​(x∗)+∑i=1q​vi∗​hi′​(x∗)（一阶导为0）

Slater条件

在算法中，一般还是希望强对偶能够成立，有一种简单的强对偶判断方法是Slater定理。
定义原始不等式约束的可行域$F$F的相对内域为：
$relint(F)=\{x|f_i(x)<0,i=1,\cdots,m;h_i(x)=0,,i=1,\cdots,q \}$relint(F)={x∣fi​(x)<0,i=1,⋯,m;hi​(x)=0,,i=1,⋯,q}
即原始约束中的等式约束都成立，不等式约束都不取等号。位于可行域的相对内域的点称为相对内点。
优化过程中，迭代点位于可行域的内域的约束规定称为Slater条件。
Slater条件说的是，如果Slater条件满足，并且最初的问题是凸优化问题，则原始问题的最优解$p^*$p∗和对偶问题的最优解$d^*$d∗相等，强对偶条件成立。

总结

下面列出原始问题与对偶问题最优解之间的几点关系。

• 只有当不等式约束$f_i(x),i=1,\cdots,m$fi​(x),i=1,⋯,m均为凸函数，且等式约束均$h_i(x),i=1,\cdots,q$hi​(x),i=1,⋯,q均为仿射函数时，一个原始约束优化问题才可以借助Lagrangian松弛方法，转化成一个凹函数的对偶无约束极大化问题。
• 凹函数的极大化等价于凸函数的极小化。
• 若$f(x)$f(x)不是凸函数，而$f_i(x)$fi​(x)均为凸函数，$h_i(x)$hi​(x)均为仿射函数，则Lagrangian目标函数满足KKT条件的点$x^*$x∗和$(\lambda^*,v^*)$(λ∗,v∗)一般不会是原始最优点和对偶最优点，即Lagrangian对偶无约束优化问题的最优解不是原始约束优化问题的最优解，而是$\varepsilon$ε-次优解，其中$\varepsilon=f(x^*) - J_D(\lambda^*,v^*)$ε=f(x∗)−JD​(λ∗,v∗)。
• 若$f(x)$f(x)和$f_i(x)$fi​(x)均为凸函数，$h_i(x)$hi​(x)均为仿射函数，即最初的问题是凸优化问题，则Lagrangian目标函数满足KKT条件的点$\widetilde{x}$x和$(\widetilde{\lambda},\widetilde{v})$(λ,v)分别是原始问题的对偶问题的最优点，$p^*=q^*$p∗=q∗.

本文主要内容均来自张贤达《矩阵分析与应用（第二版）》4.3节。本节主要内容虽然之前研究过，但是看完还是有点懵逼，结合之前费老大研究的SVM并写的支持向量机原理及求解，算是大概懂了的样子，心里还是有点发毛，比如最没明白的就是为什么原始问题和对偶问题的解放在一起就是$L(x,\lambda,v)$L(x,λ,v)的解。至于平时看论文以及听别人讲，那更是一笔带过，能多略就多略。也许工科就是这样吧，细致的数学原理不敢深究，列一列最优化目标，会直接拿来求解就好了吧。或者，也许菜鸡就是这样吧，好读书，难求甚解！当然读了张老的书，写了这篇博客也还算加深了一些理解。

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标签：min,KKT,Lagrangian,hi,Slater,fi,对偶,lambda
来源： https://blog.csdn.net/qq_30565883/article/details/104144679