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Lagrange 对偶问题 ​

定义 ​

Lagrange 对偶函数实际上给出了优化问题最优值的下界。也就是说,对于一对给定的 λ 和 ν,就有一个确定的下界值相对应。那么,一个自然的问题是:Lagrange 对偶函数的最优下界是什么?即如下的一个优化问题

maximizeg(λ,ν)subject toλ⪰0

该问题被称为 Lagrange 对偶问题。称解 (λ⋆,ν⋆) 为对偶最优解或者最优 Lagrange 乘子。

Lagrange 对偶问题是一个凸优化问题,这是因为极大化的目标函数是凹函数,且约束集合是凸集。因此,对偶问题的凸性和原问题是否是凸优化问题无关。

显式表达对偶约束 ​

下面我们以标准形式线性规划的 Lagrange 对偶为例,说明如何显式表达对偶约束。

minimizec⊤xsubject toAx=bx⪰0

其 Lagrange 对偶函数为

g(λ,ν)={−b⊤νA⊤ν−λ+c=0−∞其他情况

严格来讲,标准形式线性规划的对偶问题是在满足约束 λ⪰0 的条件下极大化对偶函数

maximizeg(λ,ν)subject toλ⪰0

当且仅当 A⊤ν−λ+c=0 时对偶函数 g 有界。我们看看可以通过将此“隐含”的等式约束“显式”化来得到一个等价的问题

maximize−b⊤νsubject toA⊤ν−λ+c=0λ⪰0

进一步地,这个问题可以描述为

maximize−b⊤νsubject toA⊤ν+c⪰0

这是一个不等式形式的线性规划。

弱对偶性 ​

Lagrange 对偶问题的最优值用 d⋆ 表示,这是通过 Lagrange 函数得到的原问题最优值 p⋆ 的最好下界。特别地,我们有下面虽然简单但是非常重要的不等式

d⋆⩽p⋆

即使原问题不是凸问题,上述表达式亦成立。这个性质称为弱对偶性。

定义差值 p⋆−d⋆ 是原问题的最优对偶间隙。

当原问题很难求解时,弱对偶不等式可以给出原问题最优值的一个下界,这是因为对偶问题总是凸问题,而且在很多情况下都可以进行有效的求解得到 d⋆。

强对偶性和 Slater 约束准则 ​

如果对偶间隙为零,即

p⋆=d⋆

那么强对偶性成立。这说明从 Lagrange 对偶函数得到的最好下界是紧的。

如果原问题是凸优化问题,那么强对偶性通常(但不总是)成立。这意味着还需要满足一些额外条件,这些条件被称为约束准则。一个简单的约束准则是 Slater 条件:存在一点 x∈relintD 使得

fi(x)<0,i=1,⋯,m,Ax=b

满足上述条件的点被称为严格可行,这是因为不等式约束严格成立。Slater 定理说明,当 Slater 条件成立(且原问题是凸问题)时,强对偶性成立。

举例 ​

线性方程组的最小二乘解 ​

再次考虑问题

minimizex⊤xsubject toAx=b

其相应的对偶问题为

maximize−14ν⊤AA⊤ν−b⊤ν

它是一个凹二次函数的无约束极大化问题。Slater 条件此时即是原问题的可行性条件。

线性规划的 Lagrange 对偶 ​

对于任意线性规划问题,只要原问题可行,强对偶性都成立。

二次约束二次规划的 Lagrange 对偶 ​

考虑 QCQP,根据 Slater 条件,当二次不等式约束严格成立时,则强对偶成立。

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