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等价的对偶问题 ​

本小节的例子将说明,对一个问题进行简单的等价变形有可能得到非常不一样的对偶问题。

引入新的变量以及相应的等式约束 ​

minimizef0(Ax+b)

该问题的 Lagrange 对偶函数是常数 p⋆。即使强对偶性成立,但其 Lagrange 对偶问题没有什么意义和用途。

现在我们对原问题作等价变形

minimizef0(y)subject toAx+b=y

我们引入了新的变量 y,并且增加了新的等式约束,将原来作为目标函数的复合函数拆开了。这样,变换之后的问题的 Lagrange 函数为

L(x,y,ν)=f0(y)+ν⊤(Ax+b−y)

求解 Lagrange 对偶函数

g(ν)=b⊤ν+infy(f0(y)−ν⊤y)=b⊤−f0⋆(ν)

于是对偶问题可以描述为

minimizeb⊤ν−f0⋆(ν)subject toA⊤ν=0

显然,变换后的问题的对偶问题要比原问题的对偶问题更有意义。

引入新的等式约束的思想同样可以用在约束函数上面。例如,考虑问题

minimizef0(A0x+b0)subject tofi(Aix+bi)⩽0,i=1,⋯,m

其中 Ai∈Rki×n,函数 fi:Rki→R 是凸函数。对 i=0,⋯,m,引入新的变量 yi∈Rki,将原问题重新描述为

minimizef0(y0)subject tofi(yi)⩽0,i=1,⋯,mAix+bi=yi,i=0,⋯,m

后面的步骤与之前类似,同样也是求解 Lagrange 对偶函数,并描述对偶问题。

变换目标函数 ​

如果我们将目标函数 f0 替换为 f0 的增函数,得到的问题与原问题显然是等价的。但是,等价问题的对偶问题可能和原问题的对偶问题大不相同。

考虑最小范数问题

minimize∥Ax−b∥

我们将问题重新描述为

minimize12∥y∥2subject toAx−b=y

隐式约束 ​

接下来考虑一个简单的重新描述问题的方式,通过修改目标函数将约束包含到目标函数中,当约束被违背时,目标函数为无穷大。

考虑下列具有框约束的线性规划问题

minimizec⊤xsubject toAx=bl⪯x⪯u

原问题的对偶问题很容易就能够得到,但是特别复杂。我们换一种做法,将原问题重新描述为

minimizef0(x)subject toAx=b

其中 f0(x) 定义为

f0(x)={c⊤xl⪯x⪯u∞otherwise

这样一来新问题的对偶问题则是一个更为简单的无约束问题。

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