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择一定理

通过对偶函数建立弱择一性

对约束系统的定义如下

fi(x)0,i=1,,mhi(x)=0,i=1,,p

考虑不等式和等式约束的系统的可行性,即求解如下优化问题

minimize0subject tofi(x)0,i=1,,mhi(x)=0,i=1,,p

此问题的最优值显然只有两种情况:

  • p=0:约束是可行的。
  • p=:约束是不可行的。

对偶函数

g(λ,ν)=infxD(i=1mλifi(x)+i=1pνihi(x))

同理,对偶问题的最优值同样也只有两种情况:

  • d=λ0,g(λ,ν)>0 可行。
  • d=0λ0,g(λ,ν)>0 不可行。

也就是说,原问题和对偶问题关于约束是否可行的情况正好相反。事实上,可以将不等式

λ0g(λ,ν)>0

看作是系统不可行的证明或认证。

如果两个不等式(等式)系统至多有一个可行,则称之为弱择一的。无论不等式是否是凸的,上述结论都成立;此外,择一不等式系统总是凸的。

严格不等式

同样可以分析具有严格不等式系统的可行性,我们得到择一不等式系统如下

λ0λ0g(λ,ν)0

强择一

当原不等式系统是凸的,即函数 fi 是凸函数,hi 是仿射函数,且某些类型的约束准则成立是,那么上述描述的弱择一的两个系统是强择一的,即恰有一个系统可行。换而言之,两个不等式系统中的任意一个可行,当且仅当另一个不可行。

不等式系统可以描述为

fi(x)0,i=1,,mAx=b

严格不等式

严格不等式系统的强择一还需要满足:存在一点 xrelintD 使得 Ax=b

我们可以通过考虑相关的优化问题得到上述结论,即

minimizessubject tofi(x)s0,i=1,,mAx=b

优化变量为 x,s,定义域为 D×R。当且仅当严格不等式系统有解时,上述优化问题的最优值 p<0

其对偶函数为

infxD,s(s+i=1mλi(fi(x)s)+ν(Axb))={g(λ,ν)1λ=1otherwise

因此其对偶问题可以描述为

maximizeg(λ,ν)subject toλ0,1λ=1

该问题满足 Slater 条件,即 d=p

非严格不等式

下面考虑非严格不等式系统

fi(x)0,i=1,,mAx=b

以及其择一系统

λ0g(λ,ν)>0

强择一成立的条件和严格不等式系统类似。

举例

线性不等式

考虑具有线性不等式 Axb 的系统。它的对偶函数为

g(λ)=infxλ(Axb)={bλAλ=0otherwise

因此,其择一不等式系统为

λ0Aλ=0bλ<0

这两个系统是强择一的。

Farkas 引理

Farkas 引理描述了一对强择一系统,它们是由严格和非严格线性不等式组成的混合系统。不等式系统

Ax0cx<0

其中 ARm×n,cRn,以及不等式系统

Ay+c=0y0

是强择一的。

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