凸优化问题,凸二次规划问题QP,凸函数

约束优化问题

m i n   w     f ( w )

s . t .       g i ( w ) 0         ( i = 1 , . . . , k )                   ( 1 )

                h j ( w ) = 0         ( j = 1 , . . . , l )                   ( 2 )

注:

  • 这是一个最小化问题.
  • 不等式约束严格执行的含义是“小于等于号”变成“小于号”。

凸函数

对区间 [ a , b ] 上定义的函数 f,若它对区间中任意两点 x 1 , x 2 均有:

f ( x 1 + x 2 2 ) f ( x 1 ) + f ( x 2 ) 2

则称f为区间 [ a , b ] 上的凸函数,这和高数上讲图形的形状时是不同的概念。

形曲线的函数如 f ( x ) = x 2 就是凸函数。

对实数集上的函数,可通过求解二阶导数来判别:

  • 若二阶导数在区间上非负,则称为凸函数
  • 若二阶导数在区间上恒大于0,则称严格凸函数

仿射函数也是凸函数,只是不是严格凸函数

凸优化问题

凸优化问题是特殊的约束最优化问题。其一般形式形式和约束最优化问题一样。

假设f、g、h在定义域内是连续可微的,且目标函数f和不等式约束函数g是凸函数,等式约束h是仿射函数(线性函数),则这种约束最优化问题称为凸优化问题。
因此凸优化问题特征的重要特征:

  • 目标函数f,不等式约束函数g是凸函数
  • 等式约束h是仿射函数
  • 满足约束最优化问题的一般形式

凸二次规划问题

凸二次规划问题是凸优化问题的一个特殊形式,当目标函数是二次型函数且约束函数 g 是仿射函数时,就变成一个凸二次规划问题。凸二次规划问题的一般形式为:

min x 1 2 x T Q x + c T x s . t . W x b

  • 若 Q 为半正定矩阵,则上面的目标函数是凸函数,相应的二次规划为凸二次规划问题;此时若约束条件定义的可行域不为空,且目标函数在此可行域有下界,则该问题有全局最小值。

  • 若Q为正定矩阵,则该问题有唯一的全局最小值
    例如,最简单的正定矩阵就是单位矩阵。

凸二次规划问题的特征:

  • 目标函数f是二次型函数函数
  • 等式约束h是仿射函数
  • 等式约g是仿射函数
  • 满足约束最优化问题的一般形式

常用的二次规划问题求解方法有:

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