形式陈述
设 为实Hilbert 空间公理库Hilbert 空间Hilbert space关于内积诱导范数完备的实或复内积空间。, 是 proper、下半连续凸函数,。近端算子定义为
在这些假设下极小点存在;二次项使目标 -强凸,故它唯一。由次微分公理库次梯度与次微分Subgradient · Subdifferential以全局仿射下界刻画凸函数在不可微点的支撑斜率集合。最优性, 等价于
因此 ,即次微分算子的 resolvent(预解算子)。它属于极大单调算子公理库单调算子与极大单调性Monotone operator · Maximal monotone operator · 极大单调算子用图上的内积不等式统一凸次微分与旋转关系,并以极大性保证稳定隐式步对每个输入都有唯一解。的预解算子这一更大类别;一般预解算子不一定来自凸函数。对两个输入应用次微分的单调性,得到
整理即 。这种牢固非扩张性特别蕴含 ,所以 prox 连续。
完备性怎样保证极小点存在
固定输入 ,记 。先取一个 有限的点。下半连续性给出 ,使 时 。对远处的 ,在线段上取 ,其中 ;由凸性将这个局部下界传回 ,得到全局估计
二次项压住右侧的线性下降,所以 是有限实数。
选择 。由凸性和平行四边形恒等式公理库平行四边形恒等式的内积刻画Jordan–von Neumann theorem · Parallelogram law characterization范数来自实或复内积,当且仅当它满足平行四边形恒等式。,
因此 。Hilbert 完备性给出范数极限 ,下半连续性保证 ;同一个严格中点估计给出唯一性。这份存在性证明不依赖极大单调性的反向论证。
最优性关系也可直接验证。若 最小化 ,比较 与 ,用 的凸性上界,除以 后令 ,便得
反过来,这条次梯度不等式与平方项展开给出 ,所以它确实等价于唯一最小性。
直觉
最小化 要求降低函数值,二次项则为离输入过远收取代价。小 更强调接近输入,大 更愿意为降低 走远。它把投影从集合推广到函数:指标函数规定哪些位置允许进入,一般闭凸函数则为位置设置不同代价。
隐式关系在新点 处取次梯度,而显式梯度步在旧点 处取梯度。即使二者都容易计算,也通常不相同。例如 时,prox 给出 ,梯度步却是 。前者是在稳定子问题中求平衡,后者是按当前斜率外推。
例子与边界
从三个次微分分支推导软阈值
设 ,考虑 。最优性是 。应按未知最优点的符号分三种情况,而不是给尖点指定导数。
若 ,次微分为 ,方程给 ;要使这一解确实为正,必须 。若 ,次微分为 ,得到 ,适用条件是 。若 ,条件成为 ,恰好是 。这三个输入区间覆盖全直线,严格凸性又排除了其他最优点,所以
尤其 和 都返回零。软阈值不仅把幅度减小,还把一整个闭区间压成精确零;这正是稀疏惩罚的算法作用。精确 ℓ1 罚公理库精确 ℓ1 罚函数Exact l1 penalty以约束违背的绝对值和正部构造有限参数即可精确的罚函数,并说明乘子阈值、非光滑最优性与局部全局边界。用同一尖角机制抵消约束法向力:阈值来自约束最优乘子,目的是恢复可行性,参数含义与稀疏建模不同。
向量情形中, 是 个只含单个 的项之和,故各坐标可以独立最小化:
这一步依赖惩罚与二次距离在同一坐标下可分,并非所有 prox 都能逐坐标计算。耦合 Lasso 算例公理库Lasso 的最优性与对偶间隙Lasso optimality conditions · Lasso duality gap · Lasso primal-dual certificate从残差相关性核验 Lasso 的零与非零坐标,并用可行对偶值认证剩余优化误差。中,光滑候选依赖所有坐标,但随后的 prox 仍然可分;不能把后半步的可分性误认成整个回归问题可分。
投影与非凸反例
若 是非空闭凸集的指标函数,即在 上为零、外部为 ,则 ,结果与正数 无关。删去凸性就不同:取 ,在输入 时,两个允许点的目标值都等于 ,argmin 恰为 ,所以近端映射多值。
定义良好也不保证闭式解便宜。一般凸函数的 prox 本身可能需要内层优化;它的存在唯一性与计算成本是两件事。
推论与应用
固定点 等价于 ,因此恰是 的最小点。反复应用整个目标的 prox 得到近端点方法公理库近端点方法Proximal point method · Proximal point algorithm反复精确求解带二次稳定项的子问题以逼近闭凸函数最小点的方法。;对光滑项先取梯度、只对剩下惩罚取 prox,则得到近端梯度法公理库近端梯度法Proximal gradient method对复合目标的光滑项取显式梯度步、对非光滑凸项取隐式近端步的算法。。软阈值在后者中只负责惩罚子问题,完整目标的误差仍需单独核验。
在有限维情形,借助凸共轭的等号条件公理库凸共轭与 Fenchel–Young 不等式Convex conjugate · Fenchel conjugate · Fenchel–Young inequality以线性函数的最佳配对代价定义共轭,并导出原变量与对偶变量间的基本不等式。还可得到 Moreau 分解
具体地,令 、。关系 等价于 ,即 ;再次使用近端最优性条件,便得到显示的分解。它把原函数和共轭函数的近端计算联系起来。比如 惩罚的共轭是一个无穷范数球的指标函数,软阈值便可理解为输入减去相应盒子的投影;这一几何解释与上面的三个分支计算一致。
参考资料
- Neal Parikh and Stephen Boyd, Proximal Algorithms,作者可获取版本,§§1–2,近端算子、可分性与基本性质;§7.1,软阈值与 Lasso。
- Heinz H. Bauschke and Patrick L. Combettes, Convex Analysis and Monotone Operator Theory in Hilbert Spaces, 2nd ed., Springer, 2017,Chs. 12 and 23。