形式陈述
对光滑等式约束优化问题公理库优化问题Optimization problem在可行解集合上最小化或最大化目标函数的计算问题。
二次罚函数取
算法选递增且趋于无穷的参数 ,依次求解 ,常用上一轮解作为下一轮初值。这里 越大,违约越贵;有些文献使用它的倒数作参数,读公式时应先核对约定。
一个直接的极限定理是:若 连续,原问题有可行点,每个 是相应罚子问题的全局最小点,且 ,则任意有限聚点都是原问题的全局最小点。定理没有保证罚子问题有解,也没有保证序列有聚点;这些都需要问题本身提供。
若 的 Jacobian 按行排列为 ,罚函数的梯度公理库梯度Gradient标量函数微分在内积下对应的向量。与Hessian公理库Hessian 矩阵Hessian matrix · Hessian标量函数二阶 Fréchet 导数在坐标中的矩阵表示,用于描述局部曲率与二次近似。为
内层驻点方程对应乘子估计 。一般情况下,有限 的 不为零;否则罚项梯度也为零,无法平衡一个需要非零乘子的约束最优点。
直觉
等式约束是一条零厚度的线或曲面。二次罚把它换成一个谷:离约束越远,费用按距离指标的平方增长。加大参数会把谷压窄,却没有把谷底所在的点硬性钉在约束上。
靠近可行集,平方罚的斜率会趋于零。若目标函数仍有把点拉向不可行侧的力量,就必须留下少量违约,才能产生足够大的反向罚梯度。因此二次罚常从约束外逼近答案;这和精确 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。的尖角机制不同。对不等式,对数障碍公理库对数障碍函数与中心路径Logarithmic barrier · Central path在严格可行域中加入对数障碍,构造扰动互补条件,并由中心点的对偶证书得到可计算的目标误差界。则让迭代点留在严格可行侧。
可行误差下降与曲率比上升
例子与边界
把误差和条件数放在同一张账本上
考虑
约束最优点是 ,目标值为 ,采用 时最优乘子为 。罚子问题的一阶条件为
两式相减得到 。令 ,再相加得 ,所以
乘子估计 。点误差恰为 。
罚 Hessian 为
沿切方向 的特征值是一,沿约束法向 的特征值是 ,所以二范数条件数公理库线性方程组的条件数与扰动Conditioning of linear systems · Matrix condition number把一般问题条件性具体化为可逆线性系统的右端、系数矩阵与联合扰动界。为 。
|
|
|
Hessian 条件数 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
若要求违约不超过 ,精确解也需要 ,对应条件数至少一万。内层若只解到粗精度,还会叠加另一份误差;增大参数本身没有完成求解。
原问题有解,罚子问题仍可能无下界
取 、约束 。原问题只有一个可行点,最优值为零;但任何有限 都有
因此不存在全局罚子问题最小点。另一个风险是只求局部驻点:对 , 对所有 都满足 ,违约却始终为 。内层驻性不能替代内层最小化,更不能替代外层可行性。
推论与应用
极限定理的证明机制
任取原问题可行点 。全局罚最小性给出
沿一个收敛子列 ,连续性使 有界,故
于是 。同时 ,取极限得 。由于 是任意可行点, 全局最优。关键是与任意可行点比较整个罚目标,而不是只观察梯度。
对仿射约束 ,Hessian 中最后的非线性项消失,罚曲率直接增加 。约束的零空间方向不受这项影响,法向方向则变硬,所以病态性来自不同方向被不均匀地拉伸。改变约束的单位也会改变罚项尺度;若将某个等式乘上一千,其平方罚权重会放大一百万。
一个可执行的外层停止方式
可以令 ,为每轮指定内层梯度容差 ,并记录三项:内层 、原约束 、原 Lagrangian 驻性 ,其中 。第三项在精确算术下等于第一项,却必须连同约束残差解释;一项小而另一项大时不能停止为“约束最优”。
对不等式 ,可加入 。该项通常一阶连续,切换位置却未必二阶连续,因此内层算法的光滑性假设要相应调整。增广 Lagrange 法公理库增广 Lagrange 乘子法Augmented Lagrangian method · Method of multipliers联合最小化增广目标后累加约束违背,借对偶近端机制在固定罚参数下改善可行性,并分别检查内层与外层误差。进一步保存并更新乘子,使固定或适度的罚参数也能持续消除违约。
稠密 Newton 内层每步通常需要 的分解,梯度和 Hessian 组装成本另计。罚参数增加多少轮并不能代表总工作,因为每轮线性系统会变得更难解;应一并报告约束误差、线性系统残差、条件数估计和实际内层次数。
参考资料