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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31
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。
信息与通信工程学院 庄伯金 bjzhuang@
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。
信息与通信工程学院 庄伯金 bjzhuang@
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 )
信息与通信工程学院 庄伯金 bjzhuang@
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。
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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
16
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
23
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.
24
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.
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 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。