最优化所需基础知识-第四节:保凸的运算

快乐江湖 快乐江湖     2022-11-12     318

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保凸运算:简单来说,保凸运算是指原来的集合 C C C是一个凸集,然后让这个凸集 C C C经过一些变换让其仍然为凸集,也即利用凸集构造凸集。保凸运算包括以下三个方面

:交集是保凸的

  • 这一点在“凸集的性质”中已有说明

:仿射变换是保凸的,包括

  • 缩放和移位是凸的
  • 两个凸集的和是凸的
  • 两个凸集的直积是凸的
  • 线性矩阵不等式的解是凸的

:透视变换是保凸的

  • 线段经过透视变换后是凸的
  • 凸集的反透视变换仍是凸的

:分式线性变换是保凸的

一:仿射变换的保凸性

(1)仿射变换的保凸性

仿射变换的保凸性:假设 f : R n → R m f:\\R^n\\rightarrow\\R^m f:RnRm是仿射变换( x ∈ R n x\\in\\R^n xRn f ( x ) ∈ R m f(x)\\in\\R^m f(x)Rm),即 f ( x ) = A x + b f(x)=Ax+b f(x)=Ax+b(也即仿射变换是线性函数和常量的组合,其中 A ∈ R m × n A\\in \\R^m×n ARm×n b ∈ R m b\\in\\R^m bRm A x ∈ R m × 1 Ax\\in\\R^m×1 AxRm×1),则

  • 凸集在 f f f下的像(image)是凸集 S ⊆ R n S\\subseteq R^n SRn是凸集=> f ( S ) = f ( x ) ∣ x ∈ S f(S)=\\f(x)|x\\in S\\ f(S)=f(x)xS是凸集
  • 凸集在 f f f下的原像是凸集 C ⊆ R m C\\subseteq R^m CRm是凸集=> f − 1 ( C ) = x ∣ f ( x ) ∈ C f^-1(C)=\\x|f(x)\\in C\\ f1(C)=xf(x)C是凸集

例题: x 1 , x 2 ∈ S x_1, x_2\\in S x1,x2S S S S为凸集), θ ∈ [ 0 , 1 ] \\theta\\in [0,1] θ[0,1],则有凸组合 θ x 1 + ( 1 − θ ) x 2 ∈ S \\theta x_1+(1-\\theta)x_2 \\in S θx1+(1θ)x2S;现证明经仿射变换 f f f下所形成的集合 f ( x ) f(x) f(x)为凸集

  • 也即证明:对于 x 1 , x 2 x_1, x_2 x1,x2,有 f ( x 1 ) , f ( x 2 ) ∈ f f(x_1),f(x_2)\\in f f(x1),f(x2)f,有 θ ∈ [ 0 , 1 ] \\theta\\in [0,1] θ[0,1],是否有 θ f ( x 1 ) + ( 1 − θ ) f ( x 2 ) ∈ f \\theta f(x_1)+(1-\\theta)f(x_2) \\in f θf(x1)+(1θ)f(x2)f成立
  • 证明:由于 f ( x ) = A x + b f(x)=Ax+b f(x)=Ax+b,故上上式可转换为 θ ( A x 1 + b ) + ( 1 − θ ) ( A x 2 + b ) = A [ θ x 1 + ( 1 − θ ) x 2 ] + b ( θ ) + ( 1 − θ ) = A [ θ x 1 + ( 1 − θ ) x 2 ] + b \\theta(Ax_1+b)+(1-\\theta)(Ax_2+b)=A[\\theta x_1+(1-\\theta)x_2]+b(\\theta)+(1-\\theta)=A[\\theta x_1+(1-\\theta)x_2]+b θ(Ax1+b)+(1θ)(Ax2+b)=A[θx1+(1θ)x2]+b(θ)+(1θ)=A[θx1+(1θ)x2]+b,由于 θ x 1 + ( 1 − θ ) x 2 ∈ S \\theta x_1+(1-\\theta)x_2\\in S θx1+(1θ)x2S,故 A [ θ x 1 + ( 1 − θ ) x 2 ] + b ∈ f A[\\theta x_1+(1-\\theta)x_2]+b\\in f A[θx1+(1θ)x2]+bf

仿射变换也可通过下面的例子理解

(2)例子

缩放和移位是保凸的:如果 S ⊆ R n S \\subseteq R^n SRn是凸集, α ∈ R \\alpha \\in R αR a ∈ R a \\in R aR,那么缩放和移位后的 α S \\alpha S αS S + a S+a S+a也是凸集

  • α S = α x ∣ x ∈ S \\alpha S=\\\\alpha x|x \\in S\\ αS=αxxS
  • S + a = x + a ∣ x ∈ S S+a=\\x +a |x \\in S\\ S+a=x+axS

两个凸集的和是凸的:两个集合的和被定义为

S 1 + S 2 = x + y ∣ x ∈ S 1 , y ∈ S 2 S_1+S_2=\\x+y | x\\in S_1, y\\in S_2\\ S凸优化——保凸运算

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