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模型Model

单调变分不等式

Monotone variational inequality · Stampacchia variational inequality · Minty variational inequality

用一般单调场与可行方向的内积刻画平衡,证明两种量词形式和投影固定点的关系,并以可计算间隙区分解、存在性与误差尺度。

若一个反馈场既有向内的阻尼,也有沿边界打转的成分,就未必存在一个函数供它逐步下降。变分不等式直接问:有没有一个可行位置,使反馈在每个可行离开方向上的内积都非负?凸优化的一阶条件是重要例子,但旋转平衡同样能放进这个问题。

形式陈述 ​

反馈在解点取值,还是在比较点取值 ​

设 C⊆Rd 为非空闭凸集,F:C→Rd 连续,且具有单调性:

⟨F(x)−F(y),x−y⟩≥0(x,y∈C).

本页的单调变分不等式寻找 x∗∈C,使

(S)⟨F(x∗),u−x∗⟩≥0对每个 u∈C.

这是 Stampacchia 形式。相应的 Minty 形式为

(M)⟨F(u),u−x∗⟩≥0对每个 u∈C.

两式的量词相同,取值位置不同。当前连续、单调条件下二者等价。若 F=∇f,其中 f 凸且可微,(S) 就是凸一阶最优性条件;一般单调 F 不必是任何函数的梯度。

用法锥 NC(x)={v:⟨v,u−x⟩≤0, u∈C} 表示,(S) 也等价于 0∈F(x∗)+NC(x∗)。法锥在 C 外取空集,因而包含关系也要求可行。

两种间隙和一个固定点残差 ​

对可行候选 x 定义

GS(x)=supu∈C⟨F(x),x−u⟩,GM(x)=supu∈C⟨F(u),x−u⟩.

取 u=x 可知两者非负;它们可为无穷大。GS(x)=0 等价于(S),GM(x)=0等价于(M),单调性给 GM(x)≤GS(x)。若 C 紧且 F 连续,两个上确界均为有限且达到的最大值。

GM 是关于 x 的仿射函数族的上确界,故为凸函数。这使预测点的平均容易获得间隙界;并不表示 F 自己具有一个待最小化的凸势。

直觉

每一项条件在等价证明中做什么 ​

从(S)到(M),单调性给

⟨F(u),u−x∗⟩≥⟨F(x∗),u−x∗⟩≥0.

反向取任意 v∈C,令 ut=x∗+t(v−x∗),0<t≤1。凸性保证 ut∈C。将它代入(M),除以 t,再由连续性令 t↓0,得到 ⟨F(x∗),v−x∗⟩≥0。所以单调性负责第一方向,沿可行线段的连续性负责第二方向。

投影把平衡写成一个可执行等式 ​

记 PC 为非空闭凸集的最近点投影。最近点 p=PC(a) 的平方距离最优性给

⟨a−p,u−p⟩≤0(u∈C).

这一式也充分:展开 ‖a−u‖2 后,交叉项非负,得到 ‖a−u‖2≥‖a−p‖2。令 a=x−γF(x),任意 γ>0,便得

x=PC(x−γF(x))⟺x满足(S).

因此可以计算自然残差 Rγ(x)=‖x−PC(x−γF(x))‖/γ。它为零能认证解;一个小但非零的值究竟对应多小的位置误差,仍取决于额外条件。

例子与边界

旋转盒:没有凸势,也有明确间隙 ​

取 C=[−1,1]2,F(x1,x2)=(−x2,x1)=Jx。对差向量 h 有 ⟨Jh,h⟩=0,所以场单调;矩阵 J 不对称,不能是二次凸函数的梯度,事实上也不是任何全域凸函数的次梯度场,单调算子页已给闭合三角形的反证。

对任意 x∈C,利用 ⟨Jx,x⟩=0 及 JT=−J,可算出

GS(x)=GM(x)=|x1|+|x2|.

例如在 x=(1/2,1/4),F(x)=(−1/4,1/2)。原始间隙在 u=(1,−1) 达到 3/4;Minty间隙也为 3/4。零间隙只在原点出现,故该问题的解唯一。这里恰好能把间隙化为坐标范数,是这个场与盒几何共同造成的,不是一般等式。

连续性与单调性分别不能偷换 ​

令 C=[−1,1],F(u)=−1 当 u≤0,F(u)=1 当 u>0。这个函数单调但在零处不连续。x=0 满足(M),因为 F(u)u≥0;但 F(0)=−1,取 u=1 即违反(S)。因此 GM(0)=0 而 GS(0)=1,且整个问题没有(S)解。把零处输出补成区间 [−1,1] 会得到另一份集合值模型,不能不声明就换掉原函数。

若改为连续但反单调的 F(u)=−u,原点满足(S),却有 GM(0)=maxu∈[−1,1]u2=1。两种例子分别定位了等价证明的两项假设。

小残差没有无条件的位置解释 ​

取 F(u)=εu、C=[−1,1],0<ε<1。解为零,但候选 x=1 的距离始终为一。对 γ=1,R1(1)=ε,而 GM(1)=ε/4、GS(1)=2ε,都随 ε↓0 变小。反馈的尺度变平时,同一个误差数字不能保持统一的位置含义。

无界域也会改变间隙。例如 C=R2,F=J,对非零 x 的线性上确界 GM(x) 为无穷大;算法仍可收敛到零,但不能套用有限盒的间隙常数。

推论与应用

存在性和定位算法是两件事 ​

若再假设 C 紧,映射 x↦PC(x−γF(x)) 连续地把 C 送回自身。Brouwer 不动点定理给出固定点,于是(S)有解。连续性及紧凸域足以完成这项存在性证明,单调性不是此证明必需的条件。

这个证明没有说反复执行该映射会收敛。旋转场在全空间上的直接前向步 x+=(I−γJ)x 满足 ‖x+‖2=(1+γ2)‖x‖2,任意正步长都使非零轨道扩大。外梯度法多查询一次预测位置的场,Mirror-Prox再改变这两步的几何,以明确的能量估计解决这一算法缺口。

给出间隙数字还须说明它怎样算得。GS只需一次 F(x) 和对 C 的线性最小化;GM通常另含对比较点 u 的全局优化,并不因写成sup就自动便宜。本页的盒旋转例两种计算都是 O(d);一般模型应单列算子求值、投影或间隙子问题的成本。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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