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凸集是集合论中的一个重要概念,定义为: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。凸集的几何特性使其在多个领域具有广泛应用。
超平面是形如{ x | aTx = b }的集合,其中a为非零向量,b为标量。将不等式改变为aTx ≤ b或aTx ≥ b时,得到半平面。多面体则是有限个半空间和超平面的交集,显然多面体是凸集。
对于两个不相交的凸集C和D,存在一个超平面P将它们分开。分割超平面的方法是找到C和D之间的最短线段的垂直平分线。
对于凸集C,任意边界上的点x0,都存在一个支撑超平面{ x | aTx = aTx0 },其中a ≠ 0。凸集的支撑超平面性质与其凸性密切相关。
凸函数定义为:对于任意的x1, x2和λ ∈ [0,1],有f(λx1 + (1-λ)x2) ≤ λf(x1) + (1-λ)f(x2)。凸函数的图像在任意方向上都是凸的。
凸优化问题的基本形式为:
设计一个长、宽、高分别为x1、x2、x3的无盖货箱,体积为5立方米,长度不小于4米。目标是最小化钢板耗料,即表面积最小化。
凸优化问题的对偶问题通过构造拉格朗日函数求解。对偶函数的最大值对应原问题的最小值。
鞍点是优化问题中的关键点,若问题不考虑等式约束,鞍点定义为满足不等式约束的点。最优点是优化问题的最小值点,其性质与对偶条件密切相关。
强对偶条件由KKT条件保证,确保对偶函数的最大值等于原问题的最小值。
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