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定义Definition

熵正则化最优输运

Entropic optimal transport

在有限输运计划上加入相对熵,得到唯一正计划,同时区分计算平滑性与原始搬运成本偏差。

形式陈述 ​

线性输运问题可能有多个最优计划。能否通过一个平滑惩罚得到唯一解,并让矩阵计算更容易?熵正则化可以做到,但它会改变优化目标。

设正概率向量 a∈Rm、b∈Rn,有限成本矩阵 C,ε>0。在输运多面体 U(a,b)={P≥0:P1=a,PT1=b} 上,定义

Vε=minP∈U(a,b)[⟨C,P⟩+εKL(P‖abT)],KL(P‖abT)=∑ijPijlog⁡Pijaibj.

采用自然对数和 0log⁡0=0。这里的相对熵等于比特版本的 ln⁡2 倍;正则参数与核 e−C/ε 均按这一单位约定。相对熵比较计划与独立耦合。边缘固定时,它等于 ∑Pijlog⁡Pij 加一个与计划无关的常数,因此也常称为负熵惩罚。不同常数约定不改变最优计划,却会改变所报告的正则化目标值。

可行集紧且非空,连续目标由极值定理取得最小值,严格凸性使最优计划 Pε 唯一;正边缘和有限成本进一步保证其每个元素为正。令 Kij=e−Cij/ε,最优计划具有 Pε=diag(u)Kdiag(v) 的缩放形式。

直觉

纯搬运成本偏爱便宜路线,熵项则惩罚过度集中的依赖结构。ε 越大,独立耦合的影响越强;它不是让原问题的答案“更精确”,而是在两个目标之间取舍。

严格正性可由零点处的熵导数看出:若计划某处为零,朝完全正的独立计划移动很小一步,新增项的 tlog⁡t 改善会压过线性成本的一阶变化。最优点因而在内部。删去最后一条列和等式后,其余 m+n−1 个边缘约束梯度线性无关,且最优点位于所有元素为正的开集。于是可用Lagrange 乘子条件;驻点方程给出 log⁡Pij 等于行项、列项与 −Cij/ε 之和,指数化便得到缩放结构。

反过来,任意严格正且满足边缘的缩放矩阵 Q=diag(u)Kdiag(v) 都有一个直接的全局证书。记正则目标为 Fε,对任意可行 P,行列势项因边缘相同而抵消,留下

Fε(P)−Fε(Q)=εKL(P‖Q)≥0.

等号仅在 P=Q 成立,所以可行缩放矩阵恰是唯一最优计划。

例子与边界

取相同边缘 a=b=(1/2,1/2),成本矩阵为 C=(0dd0),d>0。令 k=e−d/ε。对称性与边缘约束给出

Pε=12(1+k)(1kk1).

原始最优计划只走对角线,成本为零;正则计划却有总量 k/(1+k) 走交叉路线,因此其未正则搬运成本为 dk/(1+k)>0。当 ε↓0,交叉量趋零;当 ε→∞,计划趋于所有元素为 1/4 的独立耦合。

应区分三个数:原始最优成本 C∗、正则计划的搬运成本 ⟨C,Pε⟩、以及包含熵项的目标 Vε。若 P∗ 是原问题最优计划,则

0≤⟨C,Pε⟩−C∗≤εKL(P∗‖abT).

证明将 P∗ 代入正则目标作上界,再利用相对熵非负。它同时说明小 ε 下的偏差控制,但没有告诉数值算法已经收敛。

本例两侧分布相同,正则目标和正则计划搬运成本仍可为正,所以不能把它们直接当作满足“自身距离为零”的 Wasserstein 度量。若某些边缘为零,先删去对应行列;若成本无穷导致 K 有零,严格正矩阵下的结论需要重新核验。

推论与应用

在本页有限成本、严格正边缘和固定 ε>0 的范围内,Sinkhorn 算法通过行列缩放收敛到唯一的正则最优计划。减小 ε 会降低模型偏差,却可能加重数值下溢和迭代困难;边缘误差、正则化偏差与原始最优性误差需要分开报告。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 3 类关系

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