凸优化理论与应用
凸优化理论与应用凸优化PPT课件_1-51
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9
可分离变量优化问题
性质： 其中
inf f (x, y) inf f%(x)
x, y
x
f%(x) inf f (x, y)
y
定理：优化问题
minimize f0 (x1, x2 ), x R n
subject to fi (x1) 0, i 1,..., m1
f%i (x2 ) 0, i 1,..., m2 可以分离变量 x1, x2
h%i (z) i (hi (z)) 0, i 1,..., p
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7
优化问题的等价形式(4)
定理：原优化问题与以下优化问题等价
minimize f0 (x), x R n subject to fi (x) si 0, i 1,..., m
si 0 hi (x) 0, j 1,..., linear minimization
问题描述
minimize
上半图形式 minimize
f (x) im1,a...x,m(aiT x bi ) t
LP形式
subject to im1,a...x,m(aiT x bi ) t minimize t
subject to aiT x bi t,i 1,..., m
y
x eT x
f
Ay bz 0 eT y fz 1
z
1 eT x
f
z0
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二次规划(quadratic program,QP)
QP问题的基本描述
minimize (1/ 2)xT Px qT x r subject to Gx p h
Ax b P Sn , G Rmn , A R pn
凸优化问题的解法与应用
凸优化问题的解法与应用凸优化问题是指满足下列条件的优化问题：目标函数是凸函数，约束条件是凸集合。
凸优化问题是最优化问题中的一类比较特殊的问题，也是应用非常广泛的一类问题。
凸优化问题在工业、金融、电力、交通、通信等各个领域都有着广泛的应用。
本文将介绍凸优化问题的基本概念、解法和应用。
一、凸优化问题的基本概念1. 凸函数凸函数是指函数的图形总是位于函数上方的函数，即满足下列不等式：$$f(\alpha x_1 + (1-\alpha)x_2) \le \alpha f(x_1) + (1-\alpha) f(x_2),\quad x_1, x_2 \in \mathbb{R}, 0 \le \alpha \le 1$$凸函数有很多种性质，如单调性、上凸性、下凸性、严格凸性等，这些性质都与函数的图形有关。
凸函数的图形总是呈现出向上凸起的形状。
2. 凸集合凸集合是指集合内任意两点间的线段都被整个集合所包含的集合。
凸集合有很多常见的例子，如球、多面体、凸多边形、圆等。
凸集合的特点在于其内部任意两点之间都可以通过一条线段相连。
3. 凸组合凸组合是指将若干个向量按照一定比例相加后所得到的向量。
具体地，对于$n$个向量$x_1, x_2, \cdots, x_n$，它们的凸组合定义为：$$\alpha_1 x_1 + \alpha_2 x_2 + \cdots + \alpha_n x_n, \quad\alpha_1 + \alpha_2 + \cdots + \alpha_n = 1, \quad \alpha_i \ge 0 $$凸组合可以看做是加权平均的一种特殊形式。
在凸优化问题中，凸组合常常被用来表示优化变量之间的关系。
二、凸优化问题的解法凸优化问题可以用很多方法来求解，其中比较常用的有梯度下降算法、最小二乘法、线性规划、二次规划、半定规划等。
1. 梯度下降算法梯度下降算法是一种基于梯度信息的优化算法。
凸优化理论与应用_凸集
03
凸优化问题建模与求解
凸优化问题定义及示例
凸优化问题定义
凸优化问题是一类特殊的数学优化问题，其目标函数是凸函数，约束条件为凸集。凸函数在数学上具有很好的性 质，如局部最优解即为全局最优解，这使得凸优化问题的求解相对简单。
凸优化问题示例
支持向量机（SVM）、线性回归、逻辑回归、最小二乘法等机器学习算法中的优化问题都可以转化为凸优化问题 进行求解。
凸函数与凹函数关系
凹函数定义
凹函数与凸函数相反，满足f(λx1+(1-λ)x2)≥λf(x1)+(1-λ)f(x2)。
凸凹性转换
通过取负操作，可以将凸函数转换为凹函数，反之亦然。即，如果f是凸函数，则-f是凹函数；如果f是凹函数，则-f 是凸函数。
凸凹组合
凸函数和凹函数的线性组合可能既不是凸函数也不是凹函数，但可以通过一定的条件判断其凸凹性。
01
03
02 04
多面体与单纯形
多面体是由有限个线性不等式定 义的集合，即{x | Ax ≤ b}。单纯 形是一种特殊的多面体，每个顶 点都是其他顶点的邻居。
锥与凸锥
锥是由原点出发的射线组成的集 合。如果锥还是凸集，则称为凸 锥。
02
凸函数及其性质
凸函数定义及示例
凸函数定义
在数学中，一个函数被称为凸函数，如果对于该函数定义域内的任意两个点x1 和x2，以及任意实数λ∈[0,1]，都有f(λx1+(1-λ)x2)≤λf(x1)+(1-λ)f(x2)成立。
稀疏表示与重构
在压缩感知中，利用凸 集理论对信号进行稀疏 表示，并通过求解凸优 化问题实现信号的重构 。
噪声鲁棒性
针对压缩感知中的噪声 问题，利用凸集理论构 建鲁棒性优化模型，提 高信号恢复的精度和稳 定性。
03凸优化理论与应用_凸优化
03凸优化理论与应用_凸优化凸优化理论与应用是数学领域的一个重要分支，是一种优化问题的求解方法，它在工程、经济学、物理学、统计学等领域具有广泛的应用。
凸优化问题是指目标函数是凸函数（convex function）且约束条件是凸集（convex set）的优化问题。
凸函数是一种特殊的函数，它的任意两个点之间的线段在函数图像上方。
凸集是一种特殊的集合，对于集合中的任意两个点，连接这两个点的线段的端点也在集合中。
凸优化问题是在满足凸性条件下，寻找使目标函数最大化或最小化的变量值。
凸优化问题具有以下重要性质：1.局部最优解是全局最优解：对于凸优化问题，只需要找到一个局部最优解，就可以确定它就是全局最优解，无需再进行进一步的。
2.解的存在性：凸优化问题在一些条件下保证存在解，这对于实际问题的求解非常重要。
3.解的唯一性：对于凸优化问题，只能存在一个最优解，不会出现多个最优解的情况。
4.算法的可行性：凸优化问题可以通过多种有效的算法求解，这些算法具有较高的收敛速度和稳定性。
凸优化问题可以分为无约束问题和有约束问题两类。
无约束问题是指目标函数只有一个变量，没有约束条件；有约束问题是指在目标函数的最优化问题的基础上增加约束条件。
在凸优化理论中，有一些重要的概念和定理，如凸集、凸函数、凸锥、支撑超平面、KKT条件等。
这些概念和定理为凸优化问题的求解提供了理论基础和方法。
凸优化问题在实际应用中具有广泛的应用，例如：1.金融领域：用于投资组合优化、资产定价问题等。
2.电力领域：用于电网调度、能源管理等。
3.交通领域：用于交通流优化、交通路线规划等。
4.通信领域：用于信号处理、无线通信系统设计等。
5.机器学习领域：用于模型训练、参数优化等。
6.图像处理领域：用于图像恢复、图像分割等。
总之，凸优化问题在不同领域的应用非常广泛，它的理论基础和求解方法为解决复杂的优化问题提供了有效的工具和思路。
随着科学技术的不断发展，凸优化理论与应用领域将会不断扩展和深化，为实际问题的求解提供更多的可能性和机会。
凸优化理论与应用_凸函数
凸优化理论与应用_凸函数首先，我们来看一下凸函数的定义：如果对于任意的x1和x2以及0≤t≤1，都有f(tx1+(1-t)x2)≤tf(x1)+(1-t)f(x2)，那么函数f被称为凸函数。
简单来说，凸函数是指函数曲线上的任意两点之间的线段都在曲线上方。
与之相对应的，如果对于任意的x1和x2以及0≤t≤1，都有f(tx1+(1-t)x2)≥tf(x1)+(1-t)f(x2)，那么函数f被称为凹函数。
可以说，凸函数和凹函数是一对孪生兄弟。
凸函数有着许多重要的性质。
首先，对于任意的两个凸函数f(x)和g(x)，它们的线性组合h(x)=af(x)+bg(x)也是凸函数，其中a和b是任意实数且a≥0，b≥0且a+b=1、这说明凸函数在加法和标量乘法下保持封闭性。
其次，若函数f(x)是凸函数，则对于任意的λ>0，函数g(x)=λf(x)也是凸函数。
这说明凸函数具有尺度不变性。
另外，如果函数f(x)是凸函数，那么对于任意的局部最小值x*，其也是全局最小值。
这说明凸函数的局部最小值就是全局最小值。
凸函数在优化问题中具有广泛的应用。
首先，凸优化问题是指在给定的凸约束条件下，寻找凸目标函数的最小值。
凸优化问题在工程、经济学、统计学、运筹学等领域中都有广泛的应用。
例如，在工程中，凸优化可以用于最优化控制、电力系统调度、通信系统设计等问题。
其次，凸函数在机器学习和统计学中也有重要的应用。
比如，在支持向量机和逻辑回归中，凸优化问题可以用来求解最佳的分类超平面和分类器参数。
另外，在正则化线性回归中，凸优化可以用来寻找最小二乘解或具有稀疏性的解。
凸函数还有着许多重要的性质，如Jensen不等式、KKT条件等。
Jensen不等式是用来描述凸函数的平均值不小于或不大于函数值的性质。
KKT条件是一组必要条件，用来判断凸优化问题的最优解。
这些性质为凸优化问题的求解提供了理论基础和算法支持。
总之，凸函数是凸优化理论与应用的基础，它具有许多重要的性质和应用。
凸优化理论与应用_凸优化
凸优化理论与应用_凸优化凸优化是指优化问题中目标函数是凸函数，约束条件是凸集的优化问题。
凸函数具有很多良好的性质，例如在定义域上的局部极小值就是全局极小值，凸函数的极值问题可以通过一些有效的算法来求解。
凸优化理论以及相关的算法方法在实际应用中有着广泛的应用。
在机器学习中，凸优化广泛应用于支持向量机（SVM）、逻辑回归等分类算法的求解。
在图像处理领域，通过凸优化方法可以实现图像的去噪、图像恢复以及图像压缩等任务。
在信号处理中，凸优化可以用于信号的降噪、滤波以及信号的拟合等问题。
在控制理论中，凸优化可以用于控制系统的设计和优化。
凸优化理论中的一些重要概念包括凸集、凸函数、凸组合等。
凸集是指一个集合中的任意两点连接的线段仍然在集合内，而凸函数则是定义在凸集上的函数，其函数值在定义域上任意两点间的线段上保持不减。
凸组合则是指通过凸权重将多个点加权求和得到的点。
在凸优化中，常用的优化问题形式包括极小化凸函数的无约束问题、极小化凸函数的约束问题、线性规划问题等。
对于这些优化问题，凸优化理论提供了一些有效的求解方法，包括梯度下降法、牛顿法、拟牛顿法等。
这些方法可以用于求解凸优化问题的局部极小值。
此外，对于一些特殊的凸优化问题，可以应用一些特殊的求解算法，例如线性规划问题可以通过单纯形法来求解，二次规划问题可以通过内点法来求解。
这些算法方法对于特定的凸优化问题来说是高效且可行的。
总的来说，凸优化理论与应用是数学优化领域中的一个重要分支，它在现代科学技术中有着广泛的应用。
凸优化理论提供了一些有效的求解方法，可以用于解决许多实际的优化问题。
02凸优化理论与应用_凸函数
6
下水平集(sublevel set)
定义：集合
C { x dom f | f ( x ) }
称为 f 的 下水平集。
定理：凸函数的任一下水平集均为凸集。 任一下水平集均为凸集的函数不一定为凸函数。
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7
函数上半图(epigraph)
定义：集合
epi f {( x , t ) | x dom f , f ( x ) t }
称为函数
f
的上半图。
f
定理：函数
为凸函数当且仅当
f
的上半图为凸集。
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8
Jensen不等式
f
为凸函数，则有：
yC
凸函数的透视算子
g ( x , t ) tf ( x / t )
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11
共轭函数(conjugate function)
定义：设函数 f : R 定义为
*
n
R
，其共轭函数 f : R
T
*
n
R
，
f ( y ) su p ( y x f ( x )).
n
为真锥，函数 f : R
n
R
称为 K 单调增，若函数 f ( x ) 满足：
x K y f (x) f ( y)
广义凸函数的定义：设K R 均有
m
为真锥，函数 f : R
n
R
m
称为 K 凸，若函数 f ( x ) 满足对 x , y dom f , 0 1
凸优化理论在信号处理中的应用研究
凸优化理论在信号处理中的应用研究引言：信号处理作为一门重要的交叉学科，广泛应用于通信、图像处理、声音处理等领域。
信号处理的目标是从实际场景中提取有用的信息，并对其进行优化和改进。
凸优化理论作为一种数学工具，能够帮助解决信号处理中的优化问题，提高信号处理算法的性能。
本文将重点探讨凸优化理论在信号处理中的应用研究。
一、凸优化理论概述凸优化理论于20世纪60年代发展起来，是数学规划领域的一个重要分支。
凸优化问题的目标函数和约束条件都是凸函数，具有较好的可解性和唯一的最优解。
凸优化理论研究了凸优化问题的性质、求解方法和应用领域，为信号处理提供了理论基础和解决方案。
二、凸优化在信号重构中的应用研究信号重构是信号处理中的一个关键问题，即根据信号的部分观测数据恢复原始信号。
凸优化理论能够解决信号重构中的优化问题，并提供了一些有效的重构算法。
例如，基于拟凸优化的稀疏重构算法通过最小化一组约束条件来恢复稀疏信号，广泛应用于信号压缩和图像恢复领域。
凸优化理论还可以用于信号采样优化，通过选择合适的采样方案来提高信号重构的质量和效率。
三、凸优化在信号分类中的应用研究信号分类是信号处理中的另一个重要问题，即将信号分为不同的类别或状态。
凸优化理论可以用于优化信号分类的准确性和效率。
例如，支持向量机是一种基于凸优化理论的分类算法，通过在特征空间中构建一个最优的超平面来实现分类任务。
其他一些凸优化算法，例如逻辑回归和线性判别分析，也被广泛应用于信号分类中，取得了良好的效果。
四、凸优化在信号降噪中的应用研究信号处理中常常遇到信号受到噪声的影响而产生失真或损失信息的问题。
凸优化理论可以用于优化信号降噪中的相关问题。
例如，基于凸优化的正则化方法可以通过添加一些先验信息来恢复受损的信号，并降低噪声的影响。
这些方法通过最小化噪声和信号之间的距离，提高了信号降噪的质量和准确性。
五、凸优化在自适应滤波中的应用研究自适应滤波是一种广泛应用于信号处理中的技术，用于提取信号中的特定成分或抑制干扰信号。
凸优化理论与应用内点法PPT课件
可编辑
13
寻找严格可行解的方法
牛顿法求解优化问题：
minimize s
subject to fi (x) s,i 1,..., m Ax b
迭代终止条件：当前解 s(k) 0 ，即终止迭代，严格可 行解为 x(k ) 。
则优化问题具有强对偶性，其对偶问题亦可解。
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2
不等式约束的消去
示性函数消去不等式约束：
m
minimize f0 (x) I ( fi (x)) i 1
subject to Ax b
0 u 0 I (u) u 0
I (u) 不具备良好的连续可微性，考虑用对数阀函数来
近似替代。
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中心步骤：以 x 为初始点求解优化问题 x*(t) ，
minimize tf0(x) (x)
subject to Ax b 迭代： x x* (t)
终止条件：若 m/ t ，则终止退出。
更新 t ：t t
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9
收敛性分析
外层循环迭代次数：
log(m /( t(0) ))
(t))
,
*
(t)
w
/
t
则 x x*(t) 是拉格朗日函数L(x, *(t), *(t)) 的最小值
解。
m
L(x, *(t), *(t)) f0 (x) i*(t) fi (x) *(t)( Ax b)
i 1
(*(t), *(t)) 为对偶问题的可行解。
可编辑
7
中心线的对偶点
设 p* 为原始问题的最优值，则有：
可编辑
4
对数阀函数
数学中的凸优化与凸分析
数学中的凸优化与凸分析凸优化（Convex Optimization）是数学中一个重要的研究领域，旨在解决凸函数的优化问题。
凸分析（Convex Analysis）则是凸优化的理论基础，探讨凸集合和凸函数的性质。
本文将介绍凸优化与凸分析的基本概念和原理，以及其在各个领域中的应用。
一、凸集合与凸函数1.1 凸集合在数学中，凸集合是指任意两点之间的连线上的点也属于该集合。
具体地，对于一个集合A，若对于该集合中的任意两点x和y，以及任意的t（0≤t≤1），都有tx + (1-t)y ∈ A，则该集合A为凸集合。
凸集合具有许多良好的性质，例如，凸集合的交集仍为凸集合，凸集合加凸集合的运算结果仍为凸集合。
1.2 凸函数凸函数是定义在凸集合上的实值函数，满足函数图像上的任意两点之间的连线位于函数图像上方。
具体地，对于一个凸集合A上的函数f(x)，若对于该凸集合上的任意两点x和y，以及任意的t（0≤t≤1），都有f(tx + (1-t)y) ≤ tf(x) + (1-t)f(y)，则该函数f(x)为凸函数。
凸函数具有许多重要的性质，例如，凸函数的局部最小值就是全局最小值，凸函数加凸函数仍为凸函数。
二、凸优化问题凸优化问题是指在满足一定约束条件下，求解凸函数的最优值问题。
一般形式的凸优化问题可以表示为：minimize f(x)subject to g_i(x) ≤ 0, i = 1,2,...,mh_i(x) = 0, i = 1,2,...,p其中，f(x)为目标函数，g_i(x)和h_i(x)分别为不等式约束和等式约束。
凸优化具有许多良好的性质，例如，任意局部最小值就是全局最小值。
凸优化问题可以通过各种数值方法进行求解，常用的方法包括梯度下降法、牛顿法和内点法等。
这些方法对于大规模的凸优化问题具有较高的收敛速度和求解精度。
三、凸优化与凸分析的应用凸优化与凸分析在众多领域中具有广泛的应用，下面将列举几个典型的应用领域。
凸优化理论与应用
凸优化理论与应用凸优化是一种数学理论和方法，用于寻找凸函数的全局最小值或极小值。
凸优化理论和方法广泛应用于工程设计、经济学、金融学、计算机科学等多个领域，其重要性不言而喻。
凸优化首先要明确凸函数的概念。
凸函数在区间上的定义是：对于区间上的任意两个点x1和x2以及任意一个介于0和1之间的值t，都有f(tx1+(1-t)x2) <= tf(x1)+(1-t)f(x2)。
简单来说，凸函数的图像在任意两个点之间的部分都在这两个点的上方或相切，不会出现下凹的情况。
这个定义可以推广到多元函数。
凸优化问题的数学模型可以写成如下形式：minimize f(x)subject to g_i(x) <= 0, i = 1,2,...,mh_i(x)=0,i=1,2,...,p其中f(x)是凸目标函数，g_i(x)是凸不等式约束，h_i(x)是凸等式约束。
凸优化问题的目标是找到使得目标函数最小化的变量x，同时满足约束条件。
凸优化理论和方法有多种求解算法，包括梯度下降、牛顿法、内点法等。
其中，梯度下降是一种迭代算法，通过计算目标函数的梯度来更新变量的值，使得目标函数逐渐收敛到最小值。
牛顿法则是通过计算目标函数的二阶导数来进行迭代，收敛速度更快。
内点法是一种求解线性规划问题的方法，在凸优化中也有广泛的应用。
凸优化的应用非常广泛，以下列举几个典型的应用领域。
1.机器学习和模式识别：凸优化在机器学习和模式识别中有重要的应用，例如支持向量机和逻辑回归。
这些算法的优化问题可以通过凸优化来求解，从而得到具有较高准确率的分类器。
2.信号处理：凸优化在信号处理中有广泛的应用，例如滤波、压缩和频谱估计等。
通过凸优化可以得到更高效的信号处理算法，提高信号处理的准确性和速度。
3.优化调度问题：在工业生产、交通运输和电力系统等领域，凸优化可以用来优化调度问题，通过合理安排资源和调度任务，提高效率和经济性。
4.金融风险管理：凸优化在金融风险管理中有广泛的应用，例如投资组合优化和风险控制。
凸优化理论与应用对偶问题
m
p
L(x, , ) f0 (x) i fi (x) ihi (x)
i 1
i 1
对固定的 ，x拉格朗日函数 L(x, ,为 )关于 和
数。
的仿射函
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2
庄伯金
bjzhuang@.
拉格朗日对偶函数
拉格朗日对偶函数(lagrange dual function) ：
庄伯金
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Lagrange dual of QCQP
对偶问题：
maximize 1 q()T P()1q() r()
2
subject to f 0
Slater条件：存在 ，x满足
(1/ 2)xT Pi x qiT x ri 0, i 1,..., m
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1T
25
u
1
Mixed strategies for matrix games
对偶问题maximize v
subject to f 0, PT f v1, 1T 1
玩家m2a的xim策iz略e 分m布in选{(P择v)问i ,i 题1,..., m}
i
ai aiT
)
1T
n
subject to f 0
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22
庄伯金
bjzhuang@.
Minimum volume covering ellipsoid
弱化的Slater条件：存在 X ，S满n 足
aiT Xai 1, i 1,..., m
弱化的Slater条件总成立，因此该优化问题具有强对偶性。
subject to v f 0,1T v 1
02凸优化理论与应用_凸函数
02凸优化理论与应用_凸函数凸优化是数学中的一个重要分支，旨在解决凸函数的极小化问题。
凸函数是一类具有较好性质的函数，具有广泛的应用背景和重要的理论意义。
在凸优化理论与应用中，凸函数起到了基础的作用。
首先，什么是凸函数呢？凸函数是指在定义域上的任意两点，函数值沿着连接这两点的线段上升的函数。
准确地说，对于一个定义在实数域上的函数f(x)，如果对于任意的实数x1，x2和0≤λ≤1，都有f(λx1+(1-λ)x2)≤λf(x1)+(1−λ)f(x2)，那么函数f(x)就是凸函数。
凸函数具有很多重要的性质，其中包括：1.凸函数的一阶导数是递增的，二阶导数非负。
2.凸函数的上确界与下确界都位于它的定义域的边界上。
3.凸函数的极小值点是全局最小值点。
4.凸函数和线性函数的复合仍然是凸函数。
5.凸函数的和与正数的乘积仍然是凸函数。
凸函数的性质使得它在实际问题中的应用非常广泛。
凸优化可以用于求解很多实际问题，其中包括：1.经济学中的最优化问题，比如最大化收益或者最小化成本。
2.工程设计中的优化问题，比如最优化能源利用或者最小化材料消耗。
3.机器学习中的参数优化问题，比如最小化损失函数或者最大化目标函数。
4.金融领域的组合优化问题，比如最大化组合投资的收益或者最小化风险。
5.数据分析中的最优化问题，比如拟合曲线或者寻找最佳预测模型。
凸优化理论提供了解决这些问题的一般框架和方法，包括线性规划、二次规划、半正定规划等。
这些方法可以有效地求解凸优化问题，并且在计算机科学和工程学中得到广泛的应用。
除了理论方面，凸优化在应用中也面临一些挑战和问题。
其中之一就是如何在实际问题中找到符合实际需求的凸函数模型。
在实际问题中，往往存在多个目标和约束条件，如何将多个目标和约束条件转化为凸函数模型是一个关键的问题。
另一个挑战是求解凸优化问题的算法设计和计算复杂性分析。
虽然凸函数的求解问题是较为简单的，但是随着问题规模的增大，计算复杂性也会显著增加。
01凸优化理论与应用_凸集
多面体(Polyhedra)
多面体：
P {x | a x bj , c x di }
T j T i
k
单纯形(simplex)：
{i vi | i 0, i 1, v1 v0 ,..., vk v0线性无关}
i 0 i 0
k
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27
严格广义不等式的性质
1.x K y x K y; 2.x K x; 3.x K y, u K v x u K y v; 4.x K y, 0 x K y 5.x K y, u足够小 x u K y.
凸锥的定义：集合C既是凸集又是锥。
x1 , x2 C,1 ,2 0, 则有1x1 2 x2 C.
锥包的定义：集合C内点的所有锥组合。
{i xi | xi C , i 0}
i 1
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k
12
锥
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广义不等式
例： 逐项不等式 矩阵不等式
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严格广义不等式
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广义不等式的性质
1.x K x; 2.x K y, y K x x y; 3.x K y, y K z x K z; 4.x K y, u K v x u K y v; 5.x K y, 0 x K y; 6.xi K yi , lim xi x, lim yi y x K y.
凸优化理论与应用_逼近与拟合
凸优化理论与应用_逼近与拟合引言：在实际的科学与工程问题中，我们常常需要通过已知的数据点来建立一个数学模型来描述现象并进行预测与分析。
逼近与拟合就是解决这一问题的方法之一，通过寻找合适的函数形式来近似地表示已知的数据点，从而实现对未知数据点的预测与分析。
凸优化理论提供了一种有效的数学工具，可以帮助我们解决逼近与拟合的问题。
一、凸优化理论的基础：凸优化理论是一种研究目标函数为凸函数，约束条件为凸集的优化问题的数学理论。
在逼近与拟合的问题中，我们通常希望找到一个凸函数来近似地描述已知的数据点。
凸函数具有很好的性质，在优化过程中可以保证得到全局最优解，而不会陷入局部最优解。
二、逼近与拟合方法：1.线性回归：线性回归是一种广泛应用于逼近与拟合问题中的方法。
通过寻找一条直线来近似地表示已知的数据点集合，从而实现对未知数据点的预测与分析。
在线性回归中，目标函数是一个关于线性参数的凸函数，因此可以应用凸优化理论来解决这个问题。
2.多项式拟合：多项式拟合是一种将数据点通过多项式函数进行逼近与拟合的方法。
通过选取合适的多项式次数，可以实现对不同复杂度的数据进行拟合。
在多项式拟合中，目标函数是一个关于多项式系数的凸函数，因此可以利用凸优化理论来解决这个问题。
3.样条插值：样条插值是一种通过多个分段多项式来逼近与拟合数据点的方法。
通过选取合适的样条节点和插值条件，可以得到一个光滑的插值曲线。
在样条插值中，目标函数是一个关于样条插值系数的凸函数，因此可以使用凸优化理论来解决这个问题。
三、凸优化在逼近与拟合中的应用：1.数据拟合：在数据拟合问题中，我们通常需要找到一个函数来最好地逼近已知的数据点集合。
通过应用凸优化理论，可以确保得到全局最优的逼近函数，以最好地匹配数据点。
2.数据插值：在数据插值问题中，我们常常需要通过已知的数据点来构建一个函数，使得它在这些数据点上具有特定的性质。
凸优化理论可以帮助我们设计出一个光滑的插值函数，以最好地满足插值条件。
01凸优化理论与应用_凸集
01凸优化理论与应用_凸集凸优化理论是数学中的一个重要分支，是一种求解优化问题的方法。
在实际应用中广泛存在的一类优化问题，可以用凸优化理论进行形式化的描述和求解。
凸优化理论主要研究凸集、凸函数和凸优化问题，并给出了一系列的优化方法和算法。
凸集是凸优化理论的基础概念之一，它是指一个集合中的任意两个点之间的连线上的所有点也属于该集合。
具体来说，一个凸集要满足以下两个条件：1. 对于任意两个点x1和x2属于凸集C，它们的连线上的任意一点都属于C，即对于任意的t(0<t<1)，都有tx1+(1-t)x2属于C。
2.对于凸集C中的任意一个点x，与该点相接的区域也属于C。
凸集在凸优化问题中起到了重要的作用，它可以用来描述问题的可行解空间，也可以用来描述问题的约束条件。
在凸优化问题中，通常将目标函数定义在凸集上，并要求在该凸集上寻找使目标函数取得最小值的一个点或一个解集。
凸函数是凸优化理论中的另一个重要概念，它是指定义在凸集上的实值函数，对于该函数上的任意两个点，连接它们的线段上的函数值都不大于线段的两个端点的函数值之间的凸函数。
具体来说，对于定义在凸集C上的函数f(x)，对于任意x1和x2属于C以及0<t<1，都有f(tx1+(1-t)x2)<=tf(x1)+(1-t)f(x2)。
凸函数在凸优化问题中起到了至关重要的作用，它具有很多好的性质，比如局部最小值就是全局最小值、唯一最小值等。
因此，在实际应用中，我们通常可以将问题转化为寻找凸函数的最小值。
凸优化问题是指在给定的凸集上求解凸函数的最小值的问题。
通常情况下，凸优化问题的目标函数是一个凸函数，约束条件也是一些凸集。
对于凸优化问题，存在一系列的优化算法和方法，如梯度下降法、内点法、对偶问题等。
凸优化理论与应用广泛涉及到各个领域，如机器学习、图像处理、信号处理、运筹学、控制理论等。
在机器学习中，凸优化理论可以用来描述和求解各种不同的学习问题，如线性回归、逻辑回归、支持向量机等。
凸优化应用方法
凸优化应用方法凸优化是数学领域中的一个重要概念，广泛应用于工程、金融、计算机科学等众多领域。
本文将介绍凸优化的应用方法以及其在不同领域中的具体应用。
一、凸优化的基本概念和性质在介绍凸优化的应用方法之前，先来了解一些凸优化的基本概念和性质。
凸优化问题的目标函数和约束条件满足以下两个条件：目标函数是凸函数，约束条件是凸集。
根据这个特性，凸优化问题可以通过凸优化算法高效地求解。
二、常用的凸优化算法1. 梯度下降法（Gradient Descent）梯度下降法是一种常用的优化算法，通过迭代的方式，不断调整模型参数以降低目标函数的值。
对于凸优化问题，梯度下降法能够以较快的速度逼近最优解。
2. 内点法（Interior Point Method）内点法是一种专门用于求解线性和非线性凸优化问题的方法。
相比于传统的最优化算法，内点法具有更快的收敛速度和更好的数值稳定性。
3. 对偶法（Duality Method）对偶法是一种将原始问题转化为对偶问题求解的方法。
对于凸优化问题，通过对偶法可以得到原始问题的解析解，从而简化求解过程。
三、凸优化在工程中的应用1. 信号处理在信号处理中，凸优化被广泛应用于信号重构、信号去噪等问题。
通过优化目标函数，可以将含噪声的信号恢复为原始信号，提高信号处理的准确性。
2. 电力系统在电力系统中，凸优化被用于最优潮流问题的求解。
通过优化电力系统中的功率分配和电压控制，可以使得系统的供电效率最大化，减少能源浪费。
3. 无线通信在无线通信领域，凸优化被应用于信号调制、功率分配等问题。
通过优化信号传输的方式和功率调整，可以提高无线通信的可靠性和效率。
四、凸优化在金融中的应用1. 证券组合优化在金融投资中，凸优化被广泛应用于证券组合的优化。
通过优化投资组合中的资产配置和权重分配，可以实现风险最小化和回报最大化的目标。
2. 风险管理在风险管理领域，凸优化被用于寻找最优的资产组合以降低投资风险。
通过优化投资组合的配置权重和风险控制，可以实现投资组合的风险最小化。
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庄伯金
Bjzhuang@
1
优化理论概述
什么是优化问题？
minimize f0 (x)
Objective function
subject to fi (x) bi , i 1,..., m
xR n
Constraint functions
2
几类经典的优化问题
21
真锥(proper cone)
真锥的定义：锥 K Rn 满足如下条件 1.K为凸集；
2.K为闭集；
K具有内点
3.K非中空；
4.K有端点。
K内不含直线
22
广义不等式
真锥 K下的偏序关系：
x p K y y x K
广义不等式
x p K y y x int K
例：
严格广义不等式
逐项不等式
袁亚湘、孙文瑜，“最优化理论与方法”，科学出版 社，1999。
6
凸优化理论与应用
第一章 凸集
7
仿射集(Affine sets)
直线的表示：
y x1 (1 )x2, R .
线段的表示：
y x1 (1 )x2, [0,1].
8
仿射集(Affine sets)
仿射集的定义：过集合C内任意两点的直线均在集合C 内，则称集合C为仿射集。
f (x) Ax b, A Rmn ,b Rm
透视/投射函数(perspective function)
P(z,t) z / t, z R n,t R
20
保持凸性的运算
线性分式函数(linear-fractional function)
f (x) (Ax b) /(cT x d) AR mn,b R m,c R n, d R ,cT x d 0
14
超平面和半空间
超平面(hyperplane) ： {x | aT x b}
半空间(Halfspace)：
{x | aT x b} {x | aT x b}
15
欧氏球和椭球
欧氏球(euclidean ball):
B(xc , r) {x |
x xc
r}
2
{x | (x xc )T (x xc ) r2}
i0
i0
18
半正定锥(Positive semidefinite cone)
n阶对称矩阵集：
S n {X R nnn | X X T }
n阶半正定矩阵集：
S
n
{X
Sn
|
X
f
0}
n阶正定矩阵集：
Sn
{X
Sn
|
n阶半正定矩阵集为
X f 0} 凸锥！
19
保持凸性的运算
集合交运算 仿射变换
k
k
conv C { i xi | xi C,i 0, i 1}
i 1
i 1
13
锥(Cones)
锥的定义：
x C, 0,则有 x C.
凸锥的定义：集合C既是凸集又是锥。
x1, x2 C,1,2 0,则有1x1 2 x2 C.
锥包的定义：集合C内点的所有锥组合。
k
{ i xi | xi C,i 0} i 1
仿射集的例：直线、平面、超平面
Ax b
9
仿射集
仿射包：包含集合C的最小的仿射集。
aff C { i xi | xi C, i 1}
仿射维数：仿射包的维数。
10
仿射集
内点（interior）： int C {x | B(x, r) C, r 0}
相对内点（relative interior）： relint C {x | B(x, r) affC C, r 0}
4
课程要求
熟悉了解凸优化理论的基本原理和基本方法； 掌握实际问题转化为凸优化问题的基本方法； 掌握最优化问题的经典算法。
5
参考书目
Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe, “Convex
Optimization”, Cambridge University Press.
范数球(norm ball)：
B(xc,r) {x | x xc r}
范数锥(norm cone)：
{(x,t) | x t}
17
多面体(Polyhedra)
多面体： P {x | aTj x bj ,ciT x di}
单纯形(simplex)：
k
k
{ ivi | i 0, i 1, v1 v0,...,vk v0线性无关}
线性规划问题
fi (x)为线性函数
最小二乘问题
f0 (x)＝
Ax
fi (x)为凸函数
凸优化问题理论上有 有效的方法进行求解！
3
本课程的主要内容
理论部分
凸集和凸函数 凸优化问题 对偶问题
应用部分
逼近与拟合 统计估计 几何问题
算法部分
非约束优化方法 等式约束优化方法 内点法
B(xc, r) {xc ru | u 2 1} 椭球(ellipsoid):
E {x | (x xc )T P1(x xc ) r 2}, P为对称正定矩阵
E {xc Au | u 2 1}, A P1/2
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范数球和范数锥
范数(norm)： x 0, x 0当且仅当x 0; tx | t | x ,t R ；; xy x y
矩阵不等式
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广义不等式的性质
1.x p K x; 2.x p K y, y p K x x y; 3.x p K y, y p K z x p K z; 4.x p K y,u p K v x u p K y v;
5.x p K y, 0 x p K y;
6.xi p K yi , lim xi x, lim yi y x p K y.
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严格广义不等式的性质
1.x p K y x p K y; 2.x p K x; 3.x p K y,u p K v x u p K y v;
4.x p K y, 0 x p K y
5.x p K y,u足够小 x u p K y.
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凸集(Convex Sets)
凸集的定义：集合C内任意两点间的线段均在集合C内， 则称集合C为凸集。
x1, x2 C, [0,1],则 x1 (1 )x2 C
k
x1,..., xk C,i [0,1]且 i 1, i 1 k 则 i xi C i 1
12
凸集
凸包的定义：包含集合C的最小的凸集。