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定理Theorem

Kantorovich 对偶性

Kantorovich duality

用满足两侧势之和不超过成本的对偶函数,构造可核验的输运最优性证书。

形式陈述 ​

找到一个搬运方案以后,怎样证明再无更便宜的方案?对偶势函数为所有可行计划同时提供下界。

先取紧度量空间 X,Y、连续实成本 c 和 Borel 概率测度 μ,ν。Kantorovich 问题满足强对偶

minπ∈Π(μ,ν)∫cdπ=supφ(x)+ψ(y)≤c(x,y)(∫φdμ+∫ψdν),

其中可取连续势函数。有限分布时,右侧为 max{aTφ+bTψ:φi+ψj≤Cij}。更一般空间和成本也有对偶定理,但势的可积性、是否达到最优等条件应单独说明。

若一个可行计划 π 和一对可行势满足 φ(x)+ψ(y)=c(x,y) 在 π 几乎处处成立,则它们达到相同目标值,从而各自最优。这是互补松弛证书。

直觉

可把 φ(x)+ψ(y) 看作一条运输路线的认证成本下界。它不得超过任何真实路线成本;对任意计划平均以后,边缘约束让平均值只剩两侧势的平均,与具体计划无关。

弱对偶因此只需一行:

∫φdμ+∫ψdν=∫(φ(x)+ψ(y))dπ≤∫cdπ.

有限情形的强对偶由线性规划对偶得到;紧连续情形可通过有限划分逼近成本与测度,再用紧性和一致连续性控制误差。这一步才证明下界可以逼近最优值,不能仅凭弱对偶宣称无间隙。

例子与边界

沿用源质量 a=(1/2,1/2)、目标质量 b=(1/4,3/4) 和成本

C=(1911),P=(1/41/401/2).

候选计划成本为 3。取势 φ=(0,−8)、ψ=(1,9),则四条路线的势和为

(19−71)≤C.

对偶目标为 (1/2)⋅0+(1/2)(−8)+(1/4)⋅1+(3/4)⋅9=3。每条实际使用的路线都达到等号,唯一未使用路线的势和低于成本。弱对偶已经足够把这个可行方案钉死为最优,无需再相信求解器的状态文字。

势出现负数并无问题,它们是优化证书而非实际收费。将 φ 全部加常数 k、ψ 全部减 k,可行性与目标值都不变,所以势一般不唯一。

一个可行但未达最优的计划也可以与可行势组成证书:原始成本减对偶值是对最优性误差的上界。若边缘约束尚未满足,这个差值就不是同一个原问题的合法最优性间隙,应先修复或控制可行性误差。

推论与应用

固定 φ 后,可将 ψ(y) 提升到 infx[c(x,y)−φ(x)],这称为成本变换;它自动满足所有路线约束。对距离成本,这种势约束进一步化成 Lipschitz 函数形式;对平方成本,最优势与凸函数相连,通向Brenier 定理。两者需要各自的成本结构,不能把任意势都当作凸梯度。

参考资料
关系图谱22 个相邻概念 · 2 类关系

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