CSE203B Convex Optimization: Chapter 4: Problem Statement CK Cheng Dept. of Computer Science and Engineering University of California, San Diego 1
Convex Optimization Formulation 1. Introduction I. Eliminating equality constants II. Slack variables III. Absolute values, softmax 2. Optimality Conditions I. Local vs. global optimum II. Optimality criterion for differentiable ๐ 0 i. Optimization without constraints ii. Opt. with inequality constraints iii. Opt. with equality constraints III. Quasi-convex optimization 3. Linear Optimization 4. Quadratic Optimization 5. Geometric Programming 6. Generalized Inequality Constraints 2
1. Introduction Formulation: One of the most critical processes to conduct a project. min ๐ 0 (๐ฆ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐ฆ โค 0 ๐ = 1, โฆ , ๐ โ ๐ ๐ฆ = 0 ๐ = 1, โฆ , ๐ (๐ต๐ฆ = ๐ Affine set) ๐ฆ โ ๐ ๐ 0 : ๐ ๐ โ ๐ ๐ธ 0 ๐ ๐ ๐ : ๐ ๐ โ ๐ ๐ธ ๐ ๐ ๐ ๐ธ โ ๐ โ ๐ : ๐ ๐ โ ๐ ๐ 0 , ๐ ๐ , โฆ , ๐ ๐ ๐๐ ๐ ๐๐๐๐ค๐๐ฆ ๐ธ =โฉ ๐=0,๐ ๐ธ ๐ โฉ ๐=0,๐ ๐ธ โ ๐ Domain of functions, but not the feasible set. Feasible Set: The set which satisfies the constraints (is convex for convex problems). 3
1.1 Introduction: Eliminating Equality Constraints min ๐ 0 (๐ฆ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐ฆ โค 0 ๐ = 1, โฆ , ๐ ๐ต๐ฆ = ๐ Convert ๐ฆ ๐ต๐ฆ = ๐ ๐ข๐ ๐บ๐จ + ๐ฆ 0 ๐จ โ ๐ ๐ a. b. We have a equivalent problem min ๐ 0 (๐บ๐จ + ๐ฆ 0 ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐บ๐จ + ๐ฆ 0 โค 0 Remark: Matrix ๐บ contains columns of null space basis 4
1.2 Introduction: Slack Variables min ๐ 0 (๐ฆ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐ฆ โค 0, ๐ = 1, โฆ , ๐ ๐ต๐ฆ = ๐ Add slack variables to convert to an equivalent problem a. Convert the objective function with variable t min ๐ข ๐ก. ๐ข. ๐ 0 ๐ฆ โ ๐ข โค 0 ๐ ๐ ๐ฆ โค 0 , ๐ = 1, โฆ , ๐ ๐ต ๐ ๐ฆ = ๐ b. Convert the inequality with variables ๐ก ๐ min ๐ 0 (๐ฆ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐ฆ + ๐ก ๐ = 0 ๐ต ๐ ๐ฆ = ๐ ๐ก ๐ โ ๐ + , ๐ = 1, โฆ , ๐ 5
1.3 Introduction: Absolute values and Softmax a. Absolute values ๐ ๐ (๐ฆ) โค ๐ โ ๐ ๐ ๐ฆ โค ๐ ๐๐๐ โ๐ ๐ ๐ฆ โค ๐ b. Maximum values max{๐ 1 , ๐ 2 , โฆ , ๐ ๐ } 1 1 + ๐ ๐ฝ๐ 1 + โฏ + ๐ ๐ฝ๐ ๐ฝ log ( ๐ ๐ฝ๐ Soft๐๐๐ฆ: ๐ ) ๐น๐ฆ๐๐๐๐๐: max{1, 5, 10, 2, 3} โ Softmax 1 ๐ฝ log(๐ ๐ฝ + ๐ 5๐ฝ + ๐ 10๐ฝ + ๐ 2๐ฝ + ๐ 3๐ฝ ) โ 10 6
าง 2.1 Optimality Conditions: Local vs. Global Optima Definition: Local Optima ๐ฆ โ ๐ ๐ Given a convex optimization problem and a point าง If there exists a ๐ > 0 ๐ก. ๐ข. ๐ 0 ๐จ โฅ ๐ ๐ฆ for all ๐จ โ Feasible Set, and ๐จ โ าง ๐ฆ 2 โค ๐ 0 Then าง ๐ฆ is a local optimum . 7
าง าง าง าง าง 2.2 Optimality Conditions Theorem: Given a convex opt. problem If าง ๐ฆ is a local optimum, then าง ๐ฆ is a global optimum Proof: By contradiction Suppose that โ๐ง โ ๐บ๐๐๐ก๐๐๐๐ ๐๐๐ข ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ฆ > ๐ 0 ๐ง 0 We have ๐ ๐ฆ > 1 โ ๐ ๐ ๐ฆ + ๐๐ 0 เดค ๐ง ๐๐ง ๐๐ก๐ก๐ฃ๐๐๐ข๐๐๐ 0 0 > ๐ 0 ( 1 โ ๐ ๐ฆ + ๐เดค ๐ง) ๐ 0 ๐๐ก ๐๐๐๐ค๐๐ฆ And 1 โ ๐ ๐ฆ + ๐เดค ๐ง is feasible (Feasible set is convex) The inequality contradicts to the assumption of local optima. 8
2.2 Optimality Criterion for Differentiable ๐ 0 ๐ฆ 0 ๐ฆ ๐ ๐ง โ ๐ฆ โฅ 0 , for a given ๐ฆ โ Feasible Set Theorem: If ๐ผ๐ and for all ๐ง โ Feasible Set, then ๐ฆ is optimal . 0 ๐ฆ โ ๐ฟ โ ) ( i. e. ๐ฟ = ๐ง โ ๐ฆ ๐ง โ ๐๐๐๐ก๐๐๐๐ ๐ก๐๐ข , โ๐ Proof: From the first order condition of convex function, we 0 ๐ฆ ๐ (๐ง โ ๐ฆ) . have ๐ 0 ๐ง โฅ ๐ 0 ๐ฆ + ๐ผ๐ ๐ ๐ฆ Given the condition that ๐ผ๐ ๐ง โ ๐ฆ โฅ 0, โ๐ง in feasible set . 0 We have ๐ 0 ๐ง โฅ ๐ 0 ๐ฆ , โ๐ง in feasible set, which implies that ๐ฆ is optimal. ๐ ๐ฆ Remark: ๐ผ๐ ๐ง โ ๐ฆ = 0 is a supporting hyperplane to 0 feasible set at ๐ฆ . 9
2.2.1 Optimality Criterion without Constraints 0 ๐ฆ , ๐ฆ โ ๐ ๐ , where ๐ Theorem: For problem min ๐ 0 is convex, the optimal condition is โ๐ 0 ๐ฆ = 0. Proof: ( โ๐ 0 ๐ฆ = 0 โ Optimality) 0 ๐ฆ ๐ ๐ง โ ๐ฆ , โ๐ฆ, ๐ง โ ๐ ๐ (first order Since ๐ 0 ๐ง โฅ ๐ 0 ๐ฆ + ๐ผ๐ condition of convex function) We have ๐ 0 ๐ง โฅ ๐ 0 ๐ฆ . Therefore, x is an optimal solution. ( โ๐ 0 ๐ฆ = 0 โ Optimality) By contradiction 10
าง าง าง 2.2.2 Opt. with Inequality Constraints Problem: Min ๐ 0 ๐ฆ s.t. ๐ต๐ฆ โค ๐ , ๐ต โ ๐ ๐ร๐ Suppose that ๐ต าง ๐ฆ = ๐ (one particular case). Let ๐ฆ = าง ๐ฆ + ๐ฃ . We can write แ min ๐ ๐ฆ + ๐ฃ 0 ๐ต๐ฃ โค 0 0 ๐ฆ ๐ ๐ฃ โฅ 0, โ{๐ฃ|๐ต๐ฃ โค 0} โก ๐ฟ Opt. condition : ๐ผ๐ In other words , ๐ฆ โ ๐ฟ โ ๐๐ ๐ฟ = ๐ฃ ๐ต๐ฃ โค 0 ๐๐๐ ๐ฟ โ = {โ๐ต ๐ ๐ค|๐ค โฅ 0} ๐ผ๐ 0 ๐ฆ = โ๐ต ๐ ๐ค , โ๐ค โ ๐ + ๐ i.e. ๐ผ๐ 0 ๐ฆ) + ๐ต ๐ ๐ค = 0, ๐ค โฅ 0. ๐ผ๐ 0 ( าง 11
าง าง าง 2.2.3 Opt. with Equality Constraints แ min ๐ 0 ๐ฆ ๐ก. ๐ข. ๐ต๐ฆ = ๐ Let ๐ฆ = าง ๐ฆ + ๐ฃ and ๐ต าง ๐ฆ = ๐, we have แ min ๐ ๐ฆ + ๐ฃ 0 , ๐ฟ = {๐ฃ|๐ต๐ฃ = 0} ๐ต๐ฃ = 0 ๐ฆ โ ๐ฟ โ , ๐ฟ โ = {๐ต ๐ ๐ค|๐ค โ ๐ ๐ } ๐ผ๐ 0 ๐ฆ + ๐ต ๐ ๐ค = 0 ๐ผ๐ 0 Let ๐ฟ 1 = ๐ฃ ๐ต๐ฃ โฅ 0 ๐ฟ 2 = ๐ฃ โ๐ต๐ฃ โฅ 0 W e have โ = ๐ต ๐ ๐ค ๐ค โฅ 0 ๐ฟ 1 โ = โ๐ต ๐ ๐ค ๐ค โฅ 0 = ๐ต ๐ ๐ค ๐ค โค 0 ๐ฟ 2 โ โช ๐ฟ 2 โ = {๐ต ๐ ๐ค|๐ค โ ๐ ๐ } (๐ฟ 1 โฉ ๐ฟ 2 ) โ = ๐ฟ 1 12
2.2.3 Opt. with Equality Constraints: Example 2 + ๐ฆ 2 2 min ๐ฆ ๐ ๐ฆ = ๐ฆ 1 ๐ฆ 1 ๐ก. ๐ข. 2 1 ๐ฆ 2 = 3 โ = ( We can derive ๐ฆ โ = ๐ฆ 1 6 3 โ , ๐ฆ 2 5 , 5 ) 12 12 โ ๐ผ๐ ๐ฆ โ = 2๐ฆ 1 + 2 , ๐ผ๐ ๐ฆ โ + ๐ต ๐ ๐ค = 6 5 5 โ = 1 ร โ 5 = 0 6 6 2๐ฆ 2 5 5 New Problem: 2๐ฆ 1 2๐ฆ 2 + 2 1 ๐ค = 0 ๐ผ๐ ๐ฆ + ๐ต ๐ ๐ค = 0 โ ๐ฆ 1 ๐ต๐ฆ = ๐ 2 1 ๐ฆ 2 = 3 13
2.3 Quasiconvex Functions ๐: ๐ ๐ โ ๐ is called quasiconvex (unimodal) sublevel set ๐ ๐ข = ๐ฆ ๐ฆ โ ๐๐๐ ๐, ๐ ๐ฆ โค ๐ข} if its domain and all sublevel sets ๐ ๐ข , โ๐ข โ ๐ are convex, ๐: ๐ ๐ โ ๐ is called quasiconcave if โ๐ is quasiconvex. quasiconvex and quasiconcave โ quasilinear ๐(๐ฆ) Ex: log ๐ฆ, ๐ฆ โ ๐ ++ 14
2.3 Quasiconvex Functions Ex: Ceiling function ๐ท๐๐๐ ๐ฆ = inf ๐จ โ ๐ ๐จ > ๐ฆ : quasilinear ๐ฆ 1 0 1 1 2 ๐ฆ 1 ๐ฆ 2 Ex: ๐ ๐ฆ 1 , ๐ฆ 2 = ๐ฆ 1 ๐ฆ 2 = ๐ฆ 2 1 0 2 ๐ฆ 1 ๐ฆ 2 โฅ ๐ข} 2 , ๐ ๐ข = ๐ฆ โ ๐ + is quasiconcave in ๐ + ๐ ๐ ๐ฆ+๐ ๐ ๐ ๐ฆ+๐ for ๐ ๐ ๐ฆ + ๐ > 0 Ex: ๐ ๐ฆ = ๐ ๐ข = ๐ฆ ๐ ๐ ๐ฆ + ๐ > 0, ๐ ๐ + ๐ โค ๐ข(๐ ๐ ๐ฆ + ๐)} open halfspace closed halfspace โ ๐ ๐ข is convex ( ๐ข is given here) quasiconvex โ ๐(๐ฆ) is quasiconcave โ quasilinear เต 15
2.3 Quasiconvex Optimization min ๐ ๐ (๐ฆ) (๐ ๐ (๐ฆ) is quasiconvex, ๐ ๐ โฒ๐ก are convex. ) ๐ก. ๐ข. ๐ ๐ ๐ฆ โค 0, ๐ = 1, โฆ , ๐ ๐ต๐ฆ = ๐ Remark: A locally opt. solution (๐ฆ, ๐ 0 ๐ฆ ) may not be globally opt. Algorithm: Bisection method for quasiconvex optimization. Given ๐ โค ๐ โ โค ๐ฃ, ๐ > 0 Find a Repeat 1. ๐ข = (๐ + ๐ฃ)/2 convex function 2. F ind a feasible solution ๐ฆ : ๐ก. ๐ข. ฮฆ ๐ข ๐ฆ โค 0 ๐ 0 ๐ฆ โค ๐ข โ ฮฆ t ๐ฆ โค 0 ๐ ๐ ๐ฆ โค 0 ๐ต๐ฆ = ๐ 3. If solution is feasible, ๐ฃ = ๐ข, ๐๐๐ก๐ ๐ = ๐ข Until ๐ฃ โ ๐ โค ๐ ๐ ๐ฆ Ex: ๐ ๐ฆ = ๐ ๐ฆ โค ๐ข โ ๐ ๐ฆ โ ๐ข๐ ๐ฆ โค 0 ( p is convex & q is concave) 16
3. Linear Programming: Format General Form : min ๐ ๐ ๐ฆ ๐ก. ๐ข. ๐ป๐ฆ โค โ, ๐ป โ ๐ ๐โ๐ , ๐ต โ ๐ ๐โ๐ ๐ต๐ฆ = ๐ Standard Form : min ๐ ๐ ๐ฆ ๐ก. ๐ข. ๐ต๐ฆ = ๐ ๐ฆ โฅ 0 Remark: Figure out three possible situations 1. No feasible solutions 2. Unbounded solutions 3. Bounded solutions 17
3. Linear Programming: Cases min ๐ ๐ ๐ฆ ๐ก. ๐ข. ๐ต๐ฆ = ๐ (1) No feasible solutions: ๐ โ ๐(๐ต) ( b is not in the range of A ) 1 1 2 ๐ฆ 1 ๐ฆ 2 = 1 2 2 e.g. 2 3 3 (2) Unbounded solutions: ๐ โ ๐(๐ต) but ๐ โ ๐(๐ต ๐ ) ๐ฆ 1 e.g. min 1 1 ๐ฆ 2 ๐ฆ 1 (The solution โ โโ) ๐ฆ 2 = 2 1 2 (3) Bounded solutions: b โ ๐ ๐ต , ๐ โ ๐ ๐ต ๐ ๐ฆ 1 e.g. min 1 1 ๐ฆ 2 ๐ฆ 1 1 1 ๐ฆ 2 = 2 1 2 2 Thus ๐ฆ โ = 2 2 0 , ๐ ๐ฆ โ = 1 0 = 2 1 18
Recommend
More recommend