凸优化理论与应用
07凸优化理论与应用_无约束优化
T
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10
步长因子搜索
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m
11
梯度下降法
下降方向： x f ( x) 终止条件： f ( x) 2 收敛性： f ( x( k ) ) p* ck ( f ( x(0) ) p* ) 其中 c (0,1) 。
xnt 2 f ( x)1f ( x)
2 f ( x )
( xT 2 f ( x) x)1/ 2 上的最速下降方向。
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19
牛顿法
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20
牛顿减量
T 2 2
p* 为最优值，则
1 f ( x) p f ( x ) 2m
* 2 2
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5
强凸性
若函数 f ( x ) 在 S 上具有强凸性，则可以证明存 在M 0 ，满足 2 f ( x) MI 则有
M f ( y ) f ( x) f ( x) ( y x) yx 2
l1 范数：
f ( x) xsd ei xi
16
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最速下降法
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收敛性分析
范数界：
x * x 2 , (0,1]
c 1 2m 2 min{1, 2 / M }
令
( x) (f ( x)T 2 f ( x)1f ( x))1/ 2
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。
凸优化理论与应用-凸优化PPT课件
凸优化问题最优解
定理：设 X 为凸优化问题的可行域，f0 (x)可微。则 x 为最优解当且仅当 f0 (x)T ( y x) 0, y X 成立。
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15
凸优化问题最优解
定理：无约束凸优化问题中，若 f0 (x)可微。则 x 为最 优解当且仅当 f0 (x) 0成立。
h1(x) (x1 x2 )2 0
等价于凸优化问题
minimize f0 (x) x12 x22 subject to f%1(x) x1 0
h%1(x) x1 x2 0
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13
凸优化问题的局部最优解
定理：凸优化问题的局部最优解均是全局最优解。
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14
可编辑
10
优化问题的上半图形式
minimize t subject to f0 (x) t 0,
fi (x) 0, i 1,..., m hi (x) 0, j 1,..., p
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11
凸优化问题的基本形式
凸优化问题的基本描述：
minimize f0 (x), x R n subject to fi (x) 0, i 1,..., m
hi (z) 0, j 1,..., p x z R, R 0
2
若 x 为局部最优问题的最优解，则它为原最优问题的
局部最优解。
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4
优化问题的等价形式(1)
定理：若 i 0,i 0,..., m, i 0,i 1,..., p
则原优化问题与以下优化问题等价
hi (x) 0, j 1,..., p
fi (x)为凸函数 hi (x)为仿射函数 若 f0 (x)为准凸函数，则优化问题称为准凸优化问题。 性质：凸优化问题的可行域是凸集。
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_逼近与拟合
f (v j ) f (vk ) L v j vk , j , k 1,..., m
一阶微分约束
f (u)
x f ( u ) M i i i 1
n
二阶微分约束
mI 2 f (u ) MI
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1
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信号复原
已知加噪信号：
xcor x v
信号复原问题的描述：
minimize(w.r.t. R ) 函数 ( x ) : R n R 为正则函数或光滑函数。
2
( x xcor 2 , ( x ))
其中 x0 zu 为方程组 Ax b 的解。
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13
最小范数问题
最小平方范数问题：范数 2 ，最优解满足： 2 x* AT * 0, Ax* b
最小罚问题：
minimize
(x )
i 1 i
n
subject to Ax b
minimize
sup ( Ax b )
AI A
若 I A 为有限集，可转换为：
minimize t subject to Ai x b t , i 1,..., m
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函数拟合
已知一函数族：
fi , i A
x* arg min Ax b n
*
xR
注：若 b R( A) ，则 u b 为平凡情况。
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。
凸优化理论与应用_等式约束优化
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9
消去等式约束的牛顿方法
( z) f (Fz x ), z Rn p minimize f
初始值
z ，第 k 次迭代值z
(0)
(0)
(k )
；
转换为等式约束下的牛顿方法：
Fz x (k ) (k ) x Fz x 迭代值：
次近似为：
1 T 2 T minimize f ( x v) f ( x) f ( x) v v f ( x)v 2 subject to A( x v) b
设 xnt 和 分别为该问题和对偶问题的最优解，则满 足： 2 f ( x) AT xnt f ( x) 0 0 A 牛顿减量 T 2 1/ 2
( x) (xnt f ( x)xnt )
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牛顿减量
牛顿减量
T 2 ( x) (xnt f ( x)xnt )1/ 2
牛顿减量的性质：
1 f ( x) inf{ f ( x v) | A( x v) b} ( x) 2 2
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等式约束的牛顿方法
初始化：给定初始解 LOOP：
x domf 满足 Ax b ，以及 0
2 x 计算 nt 及 ； 2 若 / 2 则终止退出；
一维线性搜索：计算步长因子 t ； 迭代： x x t xnt
初始值：x(0)
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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。
可编辑
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
可编辑
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
凸优化理论与应用_凸函数
25
共轭函数 具有凸性！
13
共轭函数的性质
Fenchel’s inequality
f ( x) f * ( y) yT x.
性质：若 f ( x )为凸函数，且 f ( x ) 的上半图是闭集，则有
f ** f .
n z R 性质：设 f ( x ) 为凸函数，且可微，对于 ，若 y f ( z )
若 f ( x ) 为准凸函数，根据 f ( x ) 的任意 t 下水平集，我们 可以构造一个凸函数族 t ( x)，使得
f ( x) t t ( x) 0
例：
f ( x) t 0 t ( x) . otherwise
性质：若 t ( x) 为准凸函数 f ( x ) 的凸函数族表示，对每一 个 x domf ，若 s t ，则有
7
函数上半图(epigraph)
定义：集合
epif {( x, t ) | x domf , f ( x) t}
称为函数 f 的上半图。
定理：函数 f 为凸函数当且仅当 f 的上半图为凸集。
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Jensen不等式
凸函数的一阶微分条件
若函数 f 的定义域 domf 为开集，且函数 f 一阶可微， 则函数 f 为凸函数当且仅当 domf 为凸集，且对 x, y domf
f ( y) f ( x) f ( x)T ( y x)
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定理：若函数 f ( x ) 一阶可微，则 f ( x ) 为准凸函数，当且仅 当 domf 为凸集，且对 x, y domf ，有
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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庄伯金
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拉格朗日对偶函数
拉格朗日对偶函数(lagrange dual function) ：
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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
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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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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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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.
凸优化处理方法
凸优化处理方法凸优化是数学中的一种重要方法，广泛应用于工程、经济学、运筹学等领域。
凸优化处理方法是指在解决凸优化问题时所采用的一系列算法和技巧。
本文将介绍几种常用的凸优化处理方法，并分析其特点和适用范围。
一、梯度下降法梯度下降法是一种常用的凸优化处理方法，通过迭代的方式逐步优化目标函数。
其基本思想是沿着目标函数的负梯度方向进行搜索，不断更新参数，直到达到最优解。
梯度下降法具有收敛性好、计算简单等优点，适用于解决大规模的凸优化问题。
二、牛顿法牛顿法是一种基于二阶导数信息的凸优化处理方法。
其核心思想是利用目标函数的二阶导数矩阵信息进行迭代优化，通过求解线性方程组来更新参数。
牛顿法收敛速度较快，适用于解决高维、非线性的凸优化问题。
三、内点法内点法是一种近年来发展起来的凸优化处理方法，通过引入人工内点，将原凸优化问题转化为一系列的线性规划问题。
内点法具有全局收敛性和多项式时间复杂度等优点，适用于解决大规模的凸优化问题。
四、分裂算法分裂算法是一种将原凸优化问题分解为多个子问题进行求解的凸优化处理方法。
其基本思想是将原问题分解为几个较小的子问题，并通过迭代的方式逐步优化子问题，最终得到原问题的解。
分裂算法适用于解决具有一定结构的凸优化问题，能够提高算法的效率和收敛速度。
五、次梯度法次梯度法是一种求解非光滑凸优化问题的处理方法。
在非光滑凸优化问题中，目标函数可能不是处处可微的，此时无法使用传统的梯度下降法等方法。
次梯度法通过引入次梯度的概念，对非光滑点进行处理，从而求解非光滑凸优化问题。
六、对偶法对偶法是一种将原凸优化问题转化为对偶问题进行求解的凸优化处理方法。
通过构造拉格朗日函数和对偶函数，将原问题转化为对偶问题，并通过求解对偶问题来获取原问题的解。
对偶法能够有效地求解具有特殊结构的凸优化问题，提高算法的效率和精度。
七、凸松弛法凸松弛法是一种将原非凸优化问题转化为凸优化问题进行求解的处理方法。
通过对原问题进行适当的松弛，将其转化为一个凸优化问题，并利用凸优化方法来求解。
最优化方法凸优化解题方法
最优化方法凸优化解题方法最优化方法凸优化解题方法最优化方法是一种寻求最优解的数学方法。
凸优化是最优化方法中的一种重要分支，其使用较为广泛，可以解决很多实际问题。
下面，我们将介绍一下凸优化解题方法。
一、凸优化定义凸优化的本质是通过数学模型，寻求函数在定义域内的最小值或最大值。
在凸优化中，以凸函数为优化目标，以凸集为限制条件，解决优化问题，达到最优化的目的。
二、凸函数的定义在凸优化的研究中，凸函数是非常重要的一个概念。
具体来说，凸函数指的是满足以下两个条件的实数函数：在其定义域内的任意两点的连线上的函数值均不大于这两点的函数值之均值。
三、凸集的定义凸集是凸优化中的另一个重要概念。
严格来说，如果集合内的任意两点间的线段上的所有点均都属于此集合，则该集合被称为凸集。
四、凸优化的求解方法1. 等式约束在含有等式约束的凸优化问题中，我们可以使用拉格朗日函数将等式约束转化为拉格朗日乘子的形式，然后通过对拉格朗日函数求梯度，解析求解拉格朗日乘子和原变量。
2. 不等式约束对于含有不等式约束的凸优化问题，我们可以采用约束法来解决。
通过引入松弛变量(如Slack Variable)，将不等式约束转化为等式约束，然后再使用拉格朗日乘子法求解。
3. 分治法对于最大值问题，一般采用分治法进行求解。
先找到定义域的中点，求出中点处的函数值，然后将整个定义域按照函数值比中间点小或大的两部分分别处理，递归求解，最终得到最大值。
4. 内点法内点法是一种求解凸优化问题的有效方法。
其推广原理是：通过在定义域内引入一个可行解点，将该点定义为内点，并通过内点的移动求解最优解。
五、凸优化的应用1. 机器学习凸优化在机器学习中有着广泛的应用，例如线性规划、支持向量机和最小二乘法。
这些方法旨在寻求最优的函数分离，使得机器学习算法的预测准确性更高。
2. 信号处理凸优化在信号处理中也有着广泛的应用，例如信号分解和降噪等。
通过利用凸优化来实现对信号的优化和提取，可以提高信号处理的效率和准确性。
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。
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18
半正定锥(Positive semidefinite cone)
n阶对称矩阵集：
S n {X nn | X X T }
n阶半正定矩阵集：
S
n
{X
S
n
|
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
X
0}
n阶正定矩阵集：
Sn
{X
Sn
|
n阶半正定矩阵集为
展函数 f : n {} 为
扩展函数
f
(x)
f
(x)
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x domf x domf
也是凸函 数！
34
凸函数的一阶微分条件
若函数 f 的定义域 domf为开集，且函数 f 一阶可微， 则函数 f 为凸函数当且仅当 domf 为凸集，且对 x, y domf
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
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22
广义不等式
真锥 K下的偏序关系：
x K y y x K
广义不等式
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
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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。
4.x K y, 0 x K y
5.x K y,u足够小 x u K y.
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最值和极值
最小元的定义：设 x S ，对y S ，都有 x K y 成立，则称 x 为S 的最小元。
极小元的定义：设 x S ，对于y S ，若 y K x ，则 y x 成立，则称 x 为 S 的极小元。
3.若K的闭包有端点，则K *非中空；
4.K **是K的闭凸包；
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29
对偶广义不等式
广义不等式与对偶等价性质
x K y T x T y, for all K* 0; x K y T x T y, for all K* 0, 0.
{(x,t) | x t}
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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}
Constraint functions
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2
几类经典的优化问题
线性规划问题
fi (x)为线性函数
最小二乘问题
f0 (x)＝
Ax - b
2,
2
m
0.
凸优化问题
fi (x)为凸函数
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27
支撑超平面(supporting hyperplane)
定义：设集合 C ，x0 为 C 边界上的点。若存在 a 0， 满足对任意 x C ，都有 aT x aT x0 成立，则称超平 面 {x | aT x aT x0} 为集合 C在点 x0 处的支撑超平面。
定理：凸集边界上任意一点均存在支撑超平面。 定理：若一个闭的非中空集合，在边界上的任意一点
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5
参考书目
Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe, “Convex Optimization”, Cambridge University Press.
袁亚湘、孙文瑜，“最优化理论与方法”，科学出版 社，1999。
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31
作业
P60 2.8 P60 2.10 P60 2.14 P62 2.16 P62 2.18 P64 2.30 P64 2.31 P64 2.33
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凸优化理论与应用
第二章 凸函数
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11
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
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凸函数的定义
凸函数的定义：函数 f : n
1.定义域 dom f为凸集；
2.x, y dom f , 0 1，有
，满足
f ( x (1 ) y) f (x) (1 ) f ( y).
凸函数的扩展定义：若 f 为凸函数，则可凸定函义数其的扩
x K y y x int K
例：
严格广义不等式
逐项不等式
矩阵不等式
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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;
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保持凸性的运算
线性分式函数(linear-fractional function)
f (x) (Ax b) /(cT x d) A mn,b m,c n, d ,cT x d 0
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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 ； xy x y
范数球(norm ball)：
B(xc,r) {x | x xc r}
范数锥(norm cone)：
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6
凸优化理论与应用
第一章 凸集
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7
仿射集(Affine sets)
直线的表示：
y x1 (1 )x2, .
线段的表示：
y x1 (1 )x2, [0,1].
X 0} 凸锥！
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19
保持凸性的运算
集合交运算 仿射变换
f (x) Ax b, A Rmn ,b Rm
透视/投射函数(perspective function)
P(z,t) z / t, z n,t
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分割超平面(separating hyperplane)
定理：设C 和 D 为两不相交凸集，则存在超平面将C 和 D 分离。即：
x C, aT x b且x D, aT x b.
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凸优化理论与应用
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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
x n
存在支撑超平面，则该集合为凸集。
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对偶锥(dual cone)
对偶锥的定义：设 K为锥，则集合
K* {y | xT y 0,x K}
称为对偶锥。
对偶锥的性质：
1.K *是闭凸集；
真锥的对偶锥仍 然是真锥！
2.若K非中空，则K *有端点；
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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。
仿射集的例：直线、平面、超平面
Ax b
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9
仿射集
仿射包：包含集合C的最小的仿射集。
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
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f ( y) f (x) f (x)T ( y x)
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凸函数的二阶微分条件
若函数 f 的定义域 domf 为开集，且函数 f 二阶可 微，则函数 f 为凸函数当且仅当 domf 为凸集，且 对 x domf ，其Hessian矩阵 2 f (x) 0.