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广义不等式约束

我们知道,引入广义不等式后,可以对标准形式的凸优化问题做如下推广:

minimizef0(x)subject tofi(x)Ki0,i=1,,mAx=b

一般凸优化问题的许多结论适用于具有广义不等式的问题,例如:

  • 可行域、任意下水平集和最优集都是凸的。
  • 任意局部最优解都是全局最优的。
  • 可微函数 f0 最优性条件成立。

锥形式问题

具有广义不等式的最简单的凸优化问题是锥形式问题(或称为锥规划),它有线性目标函数和一个不等式约束函数,且该函数是仿射的(因此是 K- 凸的):

minimizecxsubject toFx+gK0Ax=b

K 是非负象限时,锥形式问题退化为线性规划。我们可以将锥形式问题视为线性规划的推广,其中的分量不等式被替换为广义不等式。

下面是锥形式问题的标准形式

minimizecxsubject toxK0Ax=b

而下面则是不等式形式的锥形式问题

minimizecxsubject toFx+gK0

半定规划

Kk 阶半正定锥时,即 KS+k,相应的的锥形式问题被称为半定规划(Semidefinite Program, SDP),并且具有如下形式

minimizecxsubject tox1F1++xnFn+G0Ax=b

其中 G,F1,,FnSk,并且 ARp×n。这里的不等式是一个矩阵线性不等式。

如果这些矩阵都是对角矩阵,则上式等价于 n 个线性不等式,于是 SDP 问题简化为线性规划问题。

标准和不等式形式的半定规划

标准形式的 SDP 具有对变量 XSn 的线性等式约束和(矩阵)非负约束:

minimizetr(CX)subject totr(AiX)=bi,i=1,,pX0,

其中 C,A1,,APSn

如图不等式形式的 LP,不等式形式的 SDP 不含有等式约束但具有一个 LMI:

minimizecxsubject tox1A1++xnAnB

多 LMI 与线性不等式

对于具有线性目标,等式、不等式约束及多个 LMI 约束的问题

minimizecxsubject toF(i)(x)=x1F1(i)++xnFn(i)+G(i)0,i=1,,KGxh,Ax=b

仍然经常称其为 SDP。从单个 LMI 和线性不等式可以构造具有达到对角块的 LMI,从而可以很容易地将该问题转化为一个 SDP

minimizecxsubject todiag(Gxh,F(1)(x),,F(K)(x))0Ax=b

举例

二阶锥规划

SOCP 可以表示为锥形式问题

minimizecxsubject to(Aix+bi,cix+di)Ki0,i=1,,mFx=g

其中

Ki={(y,t)Rni+1y2t}

Rni+1 中的二阶锥。

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