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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
在 时强凸,最优点满足 。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 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 ,且 。要求对所有 u 都有 ,等价于
因为 ,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
当 ,块矩阵
等价于 。可通过 Schur 补或配方验证。使用边界 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
- 将 写成二阶锥约束并说明其凸性。
- 用 Cauchy–Schwarz 推导鲁棒约束公式,并找出达到上界的扰动。
- 给出一个含负非对角元的半正定矩阵。