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算法Algorithm

原始—对偶混合梯度

Primal-dual hybrid gradient · PDHG · Chambolle–Pock algorithm

以两次分离近端和线性算子乘法求复合凸鞍点,将外推更新写成正定块度量下的隐式步,证明点收敛与平均受限间隙并计算完整融合例。

复合惩罚 g(Kx)可能让一次完整近端求解很难,却可以分别容易地计算 f和g∗的近端。PDHG把线性耦合留在矩阵乘法里,交替更新原变量和对偶变量。看似多出来的外推 2xk+1−xk使两次便宜操作拼成一个稳定的隐式平衡。

形式陈述 ​

先原变量,再外推给对偶 ​

设 f:Rn→R∪{+∞}、g:Rm→R∪{+∞} proper、下半连续且凸,K:Rn→Rm线性。考虑

P(x)=f(x)+g(Kx),L(x,y)=f(x)+⟨Kx,y⟩−g∗(y).

假定存在Fenchel原对偶鞍点 (x∗,y∗),即

−KTy∗∈∂f(x∗),Kx∗∈∂g∗(y∗).

固定 τ,σ>0,并令 κ≥‖K‖2为一个有效的诱导范数上界,要求 τσκ2<1。本页采用原变量先更新的顺序,从任意 x0,y0执行两次精确近端:

xk+1=proxτf(xk−τKTyk),(1)yk+1=proxσg∗(yk+σK(2xk+1−xk)).

这是Chambolle–Pock的原先更新版本;采用对偶先更新时,下标与外推位置须成套改变。本页固定式(1),不混合两份伪代码。

定义 z=(x,y)及对称块矩阵

M=(τ−1I−KT−Kσ−1I).

上述严格步长使 M≻0。有限维中,zk收敛到某个鞍点。对平均输出 x¯N=N−1∑k=1Nxk、y¯N=N−1∑k=1Nyk,任意 u∈domf,v∈domg∗满足

(2)L(x¯N,v)−L(u,y¯N)≤‖z0−(u,v)‖M22N.

其中 ‖z‖M2=zTMz。对有界比较集合取上确界可得受限鞍点间隙率;对无界比较集合,右边的统一半径可能无穷,不能据此声称全局gap有同一个有限常数。

直觉

外推正好消去一份耦合 ​

两次近端的最优性条件为

xk−xk+1τ−KTyk∈∂f(xk+1),yk−yk+1σ+K(2xk+1−xk)∈∂g∗(yk+1).

将它们写在同一个新点上,便得到

(3)M(zk−zk+1)∈T(zk+1),T(x,y)=(∂f(x)+KTy∂g∗(y)−Kx).

T是既有原对偶页建立的极大单调关系。式(3)是改变度量后的整个隐式步,却通过式(1)分成两次prox求出,无需显式形成或求逆块矩阵 M。

正定性也能直接看见。令 c=τσκ<1,对 z=(a,b)用范数配对界及 2rs≤r2+s2,有

‖z‖M2≥(1−c)(‖a‖2τ+‖b‖2σ)>0(z≠0).

因此这个块度量真正控制两份变量,而不是一个可能带负方向的形式二次式。

同一能量同时给稳定和间隙 ​

取鞍点 z∗。由式(3)和单调性,⟨zk+1−z∗,M(zk−zk+1)⟩≥0。平方展开给

(4)‖zk+1−z∗‖M2+‖zk+1−zk‖M2≤‖zk−z∗‖M2.

这保证有界性与位移趋零。式(1)由连续prox与线性映射组成;在有限维取收敛子列,极限由位移趋零成为更新固定点,再由式(3)成为鞍点。到该点的M距离非增而沿子列趋零,所以整列收敛。

为证明式(2),对任意比较点 (u,v)分别使用两条次梯度下界。其和给

L(xk+1,v)−L(u,yk+1)≤⟨M(zk−zk+1),zk+1−(u,v)⟩=12(‖zk−(u,v)‖M2−‖zk+1−(u,v)‖M2−‖zk−zk+1‖M2).

逐轮求和并使用 L对原变量凸、对对偶变量凹,便得平均输出的式(2)。初值可以不在函数有效域内,因为每个求和项从完成一次prox后的新点开始。

例子与边界

两变量融合惩罚的完整轨道 ​

取

f(x)=12‖(x1,x2)−(2,0)‖2,Kx=x1−x2,g(t)=|t|.

g∗=δ[−1,1],原问题最优解为 x∗=(1,1),对偶最优点为 y∗=1。可直接核对 x∗−(2,0)+KTy∗=0、Kx∗=0∈∂δ[−1,1](1)。原对偶目标为

P(x)=12[(x1−2)2+x22]+|x1−x2|,D(y)=2y−y2(|y|≤1),

两者在上述点都等于一。

取 τ=σ=1/2;由于 ‖K‖22=2,步长乘积为 1/2<1。式(1)变成

xk+1=2xk−KTyk+(2,0)3,yk+1=clip[−1,1](yk+12K(2xk+1−xk)).

从 x0=(0,0),y0=0开始:

k xk yk 完整可行原对偶gap P(xk)−D(yk)
0 (0,0) 0 2
1 (2/3,0) 2/3 2/3
2 (8/9,2/9) 1 25/81
3 (25/27,13/27) 1 100/729

第二轮后对偶截断始终返回一。归纳得到,对 k≥2,

xk=(1−19(2/3)k−2, 1−79(2/3)k−2),yk=1,P(xk)−D(yk)=2581(4/9)k−2.

每一步都有有限原目标与可行对偶下界,因此这个完整gap直接上界原目标误差;它比一般平均受限gap结论更强,来自算例可计算的对偶结构及显式轨道。

步长和外推各有实际作用 ​

考虑纯双线性鞍点 L(x,y)=xy,即 f=0,g∗=0,K=1。若取 τ=2,σ=1,步长乘积为二,式(1)的矩阵为

(x+y+)=(1−21−3)(xy).

特征值为 −1±2,其中一个模大于一;从 (1,0)产生 (1,1),(−1,−2),(3,5)并发散。违反安全条件确实可能失败,但这里没有宣称每个大于等于一的乘积都必然失败。

若在安全步长 τ=1,σ=1/2下删去外推,改成 y+=y+σx+,更新矩阵是 (1−11/21/2),行列式一,两个非实特征值都在单位圆上;非零轨道不趋零。外推不是可随意删除的显示效果。

推论与应用

有限受限gap与完整优化证书分开报告 ​

若选有界比较集合 U⊆domf,V⊆domg∗,令 RM2=supu∈U,v∈V‖z0−(u,v)‖M2,式(2)给

supu∈U,v∈V{L(x¯N,v)−L(u,y¯N)}≤RM2/(2N).

这个受限上确界不一定非负,也不自动上界全局原目标差。若需要标准非负的局部鞍点gap,可选包含当前平均点的比较集合;若需要完整 P−D证书,则必须在全域计算并检查原、对偶可行性。纯双线性例在非零候选处的全域gap就是无穷大,不能用有限盒的结果替换它。

每轮计算一次 KTyk、一次 K(2xk+1−xk)和两次prox,另有 O(n+m)向量运算及状态存储。对稠密 m×n矩阵乘法为 O(mn),稀疏存储 s个条目时为 O(s+n+m);prox成本另计。无须形成 KTK,这正是与某些精确联合子问题相比的计算优势。

已知较松的 κ仍能给合法但保守步长;低估范数可能毁掉M正定性。近似prox、非线性 K、自适应步长或加速参数需要各自证明。鞍点存在与每步prox存在也不能混淆:前者提供可收敛的证书,后者只保证程序能继续运行。

参考资料
关系图谱17 个相邻概念 · 2 类关系

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