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第5章:二次规划、锥规划与建模

标准问题族

线性规划有线性目标和仿射约束;凸二次规划的目标 Hessian 半正定;二阶锥规划包含范数不等式;半正定规划包含仿射矩阵落在半正定锥中的约束。

它们不是互相毫无联系的算法目录。标准形式让通用求解器利用特定锥的几何和线性代数结构,同时为模型提供统一的对偶与最优性证书。

最小二乘与正则化

岭回归

minx12Axb2+λ2x2\min_x\frac12\|Ax-b\|^2+\frac\lambda2\|x\|^2

λ>0\lambda>0 时强凸,最优点满足 (ATA+λI)x=ATb(A^TA+\lambda I)x=A^Tb。这是最优性方程,不意味着数值实现应该显式求逆;矩阵分解通常更合适。

把二范数正则换成 λx1\lambda\|x\|_1 得到 Lasso。它仍凸,但会产生稀疏解,原因与零点处次梯度区间有关,不能把两种正则理解成只改一个平滑系数。

鲁棒约束

设系数不确定为 a=a0+ua=a_0+u,且 u2ρ\|u\|_2\le\rho。要求对所有 u 都有 aTxba^Tx\le b,等价于

a0Tx+ρx2b.a_0^Tx+\rho\|x\|_2\le b.

因为 supuρuTx=ρx\sup_{\|u\|\le\rho}u^Tx=\rho\|x\|,上界由沿 x 方向的 u 取得。这个鲁棒约束成为二阶锥形式。

这类模型保护的是所选不确定集合内部的扰动;实际误差若不在集合里,保证并不会自动延伸。

Schur 补与矩阵约束

t>0t>0,块矩阵

(tIxxTs)0\begin{pmatrix}tI&x\\x^T&s\end{pmatrix}\succeq0

等价于 sx2/ts\ge\|x\|^2/t。可通过 Schur 补或配方验证。使用边界 t=0t=0 时需要单独处理,不能继续直接除以 t。

矩阵不等式中的半正定顺序不是逐元素非负。一个半正定矩阵可以含负的非对角项。

练习

  1. Axb2t\|Ax-b\|_2\le t 写成二阶锥约束并说明其凸性。
  2. 用 Cauchy–Schwarz 推导鲁棒约束公式,并找出达到上界的扰动。
  3. 给出一个含负非对角元的半正定矩阵。

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