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二次优化问题

定义

当凸优化问题的目标函数是凸二次型并且约束函数为仿射时,该问题被称为二次规划(Quadratic Program, QP)。二次规划问题可以表示为

minimize12xPx+qx+rsubject toGxhAx=b

其中 PS+nGRp×n。可以用下图来表示二次规划问题。

二次约束二次规划

如果不仅是目标函数,而且不等式约束也是凸二次型,即

minimize12xPx+qx+rsubject to12xPix+qix+ri0Ax=b

则称这一问题为二次约束二次规划(Quadratically Constrained Quadratic Program, QCQP)

线性规划是二次规划的特例,即取 P=0。二次规划是二次约束二次规划的特例,令 Pi=0 即可。

举例

最小二乘及回归

Axb22=xAAx2bAx+bb

上面的凸二次函数是一个(无约束的)二次规划。我们在很多领域都会看到类似的式子,有些地方会称其为回归分析或者最小二乘逼近。这个问题很简单,可以求出其解析解 x=Ab

二阶锥规划

minimizefxsubject toAix+bi2cix+di,i=1,,mFx=g

称上述问题为二阶锥规划(Second-Order Cone Program, SOCP),其中 xRn 是优化变量,AiRni×nFRp×n。并且我们称约束

Ax+b2cx+d

为二阶锥约束。

ci=0 时,SOCP 等同于 QCQP。当 Ai=0 时,SOCP 退化为(一般的)线性规划。

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