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对应 note 3_prob.pdf。这一章的本质是"建模能力"——把一个真实问题改写成五大标准形(LP、QP、QCQP、SOCP、SDP)之一。

0. 一句话理解这一章 ​

如果你能把一个问题写成 LP/QP/SOCP/SDP 中的某一种,那么它就有现成的求解器可以分钟内出结果。本章教你"翻译"——同时积累一套常用的"等价改写"技巧。

1. 知识地图 ​

            标准形                           关系
            ─────────────────────────────────
            LP   (线性规划)                 ⊂
              ↓                              ⊂
            QP   (二次规划,Q ⪰ 0)          ⊂
              ↓                              ⊂
            QCQP (二次约束二次规划)         ⊂
              ↓                              ⊂
            SOCP (二阶锥规划)               ⊂
              ↓                              ⊂
            SDP  (半定规划)                 ─

            凸优化基础设施
            ─────────────────────────────────
            标准形 (P) min f0 s.t. f_i ≤ 0, h_j = 0
              ├── 凸问题:f_0, f_i 凸,h_j 仿射
              └── 重要事实:凸问题局部最优 = 全局最优 ✦

            一阶最优性(带可行域 X):
              ∇f_0(x)^T (y − x) ≥ 0,  ∀y ∈ X

2. 优化问题的标准形 ​

(P)min f0(x)s.t. fi(x)≤0, i=1,…,mhj(x)=0, j=1,…,p
  • 域:D=⋂idom(fi)∩⋂jdom(hj)。
  • 可行域:X={x∈D:fi≤0,hj=0}。
  • 局部最优 / 全局最优。

凸优化问题的定义 ​

f0,fi 凸,hj 仿射(注意:等式约束必须是仿射!)。

关键性质:凸优化问题的局部最优解一定是全局最优解 ⭐ ​

证明思路(要会):用反证。假设有个 y 比 x∗ 好,沿 x∗→y 走小步 λ,由凸性f0(x∗+λ(y−x∗))≤λf0(y)+(1−λ)f0(x∗)<f0(x∗),与 x∗ 局部最优矛盾。

一阶最优性条件(Theorem 1.1)⭐⭐ ​

设 f0 凸可微,X 为可行域。x∈X 最优 ⇔

∇f0(x)T(y−x)≥0,∀y∈X.

几何含义:−∇f0(x) 必须落在 X 在 x 处的"法向方向"上(不指向可行域内部)。

无约束特例:∇f0(x)=0。

这条结论会在第 4 章拓展为 KKT,第 6 章被算法迭代式所近似。


3. 五大标准形(必背模板) ​

3.1 LP(线性规划) ​

mincTx s.t. Ax=b, x≥0.

核心建模技巧:

  1. 不等式 → 等式:Bx≤d→Bx+s=d,s≥0(松弛变量)。
  2. 自由变量 → 非负:x=x+−x−, x±≥0。
  3. 绝对值 / max 形式:minmaxi(aiTx+bi)→mint s.t. aiTx+bi≤t。
  4. 线性分式 (cTx+d)/(eTx+f), eTx+f>0:用 Charnes-Cooper 变换 y=x/(eTx+f), z=1/(eTx+f),得 mincTy+dz s.t. 各种线性约束 + z≥0。

第 1 道题(讲义证 LP-fractional ↔ LP)的核心:两个方向都要构造可行解 + 比较目标值。

3.2 QP(二次规划,凸需 Q⪰0) ​

min12xTQx+cTx s.t. Ax=b, x≥0.

典型应用:

  • Markowitz 投资组合:minxTΣx s.t. p¯Tx≥rmin,eTx=1,x≥0。
  • SVM(线性可分):min12∥ω∥2 s.t. ωTxi+β≥1(A 类)/ ≤−1(B 类)。
    • 核心思想:最大间隔 → 缩放归一化 mini|ωTxi+β|=1 → 凸 QP。

3.3 QCQP ​

min12xTP0x+q0Tx+r0 s.t. 12xTPix+qiTx+ri≤0, Ax≤b.

凸需 Pi⪰0。Pi=0 时退化为 LP;约束端 Pi=0 时退化为 QP。

3.4 SOCP(二阶锥规划)⭐⭐⭐ ​

minfTx s.t. ∥Aix+bi∥2≤ciTx+di, Fx=g.

为何重要:SOCP 包含 LP、凸 QP、QCQP,但比 SDP 简单得多。作业里出现频率最高的建模目标。

SOCP 经典等价改写:

  • 凸 QP min∥Ax−b∥2 → mint s.t. ∥Ax−b∥≤t(再用双曲技巧降到 SOC)。
  • 双曲约束(hw07.1 直接考):xTx≤yz, y≥0, z≥0⟺‖(2xy−z)‖2≤y+z.这条恒等式是把 xTx/y 这种"二次/线性"分式改写成 SOC 的关键。
  • 范数分式 ∥Fx+g∥2aTx+b≤t → (Fx+g)T(Fx+g)≤t(aTx+b) → 双曲 → SOC。
  • 几何均值 (∏iui)1/m≥t:可以归并为 O(m) 个双曲约束(hw07.1(b))。
  • 椭球不确定下的鲁棒 LP:把 supa∈EaTx 算成 a¯Tx+∥PTx∥2,转成 SOC。
  • 概率约束 LP(高斯不确定):Pr(aTx≤b)≥η → a¯Tx+Φ−1(η)∥Σ1/2x∥≤b。

3.5 SDP(半定规划) ​

minC∙X s.t. Ai∙X=bi, X⪰0.

内积 A∙B=tr(ATB)。

SDP 建模常用技巧:

  • Schur 补:把"分式 + 二次型"塞进 (YxxTr)⪰0。
  • PSD 锥的对偶仍是 PSD 锥(自对偶)。
  • rank-1 松弛:X=xxT 凸放松为 X⪰xxT(QCQP 的 SDR)。

4. 鲁棒优化(robust LP) ​

主问题:ai∈Ui 不确定,mincTx s.t. aiTx≤bi ∀ai∈Ui。

不确定集合等价形式
椭球 Ei={a¯+Pu:|u|≤1}SOCP:a¯Tx+|PTx|≤b
多面体 Ui={a:Da≤e}LP(用 LP 强对偶)
高斯随机(chance constraint)SOCP(用 Φ−1)

第 5 章的对偶视角能把"对所有 a 成立"转成"存在某 λ 使得..."——这就是鲁棒对偶 (robust counterpart) 的方法。


5. 作业题型对照(从 A3 + hw07) ​

作业题面考点
A3.5Huber 损失最小化 → QP把 Hδ(r)=minu,v≥0,|s|≤δ… 拆分:引入辅助变量 ui,vi 表示 ri=ui+vi,|ui|≤δ,目标 12ui2+δvi;写成标准 QP 形式(带框约束 / 绝对值约束的进一步拆分)
A3.6min∑|ai−x|22(a) 解析最优(求和展开 + 求导 → x∗=1m∑ai);(b) 因目标函数是单一二次而非"∑ti s.t. |ai−x|≤ti",所以直接是 QP 而非 SOCP——但可以写成 SOCP:min∑ti2→min1Ts s.t. ti2≤si,|ai−x|≤ti(要求你考察转化是否真正必要)
hw07.1验证 xTx≤yz⟺|2x;y−z|≤y+z双方平方展开 + 用 y≥0,z≥0
hw07.1(a)调和均值最大化 ∑1/(aiTx−bi)−1引入 ti≤1/(aiTx−bi)⟺ti(aiTx−bi)≥1,ti,aiTx−bi≥0(双曲约束) → 用上述等价 → 写成 SOCP
hw07.1(b)几何均值最大化一种递归"分组 SOC"技巧:t1t2≥u2 是双曲;多个的话两两配对(O(m) 个 SOC),最后用一个变量统一比较
hw07.2(Ax+b)T(I+Bdiag(x)BT)−1(Ax+b)题目 hint 让你引入 v,w 化成 minvTv+wTdiag(x)−1w s.t. v+Bw=Ax+b;其中 wi2/xi 是经典双曲,再 SOC 化
hw07.3SOS 多项式 + 控制最小值 → SDPhint 已经把方法说得很清楚:把 p(t)−γ=z(t)TQz(t), Q⪰0;通过比较系数把 Q 与 x 关联,再加 li≤p(ti)≤ui

复习要点:A3 + hw07 几乎只考一件事——LP/QP/SOCP/SDP 的等价改写。掌握下面三种"招式"基本能解决一切:

  1. 变量代换:分式(z=1/(…))、自由变量拆分(x=x+−x−)、引入 t 表"目标的上界"。
  2. Schur 补:处理 xTY−1x≤t、(Ax+b)TF(x)−1(Ax+b)≤t(A6.3 同样思路)。
  3. 双曲 SOC:uv≥w2 的恒等式。

6. 解题"招式手册" ​

招式 1:见到目标 max/min 函数 → 引入 t 抹平 ​

minmaxifi(x)→mint s.t. fi(x)≤t.

适用于:piecewise-linear、Chebyshev approximation、LP 对偶里"max 转 LP"。

招式 2:见到分式 aTx+bcTx+d → Charnes-Cooper ​

令 z=1/(cTx+d),y=zx,分母变 1,分子变线性。LP 分式 → LP。

招式 3:见到二次(或 ∥⋅∥2)→ "目标加 t" + 双曲 → SOC ​

∥Fx+g∥2≤t⟺(IFx+g(Fx+g)Tt)⪰0或∥Fx+g∥≤t(SOC).

招式 4:见到 xTY−1x(Y≻0)→ Schur 补 ​

xTY−1x≤t⟺(YxxTt)⪰0, Y⪰0.

招式 5:见到 supa∈UaTx → 内部最大化 + 对偶(鲁棒优化) ​

  • U 椭球 → ∥PTx∥(无需对偶,直接闭式)。
  • U 多面体 {a:Da≤e} → 用 LP 强对偶(注意:这里要 max 的对偶,得到 min 形式)。

招式 6:见到 Pr(不等式)≥η(高斯随机参数)→ Φ−1 + SOCP ​


7. 自检清单 ​

  • [ ] 凸问题的局部 = 全局最优?怎么证?
  • [ ] 一阶最优性 ∇f0(x)T(y−x)≥0 的几何意义?无约束特例是什么?
  • [ ] LP 标准形里的所有改写技巧(松弛、自由变量、max-LP)?
  • [ ] 双曲约束 uv≥w2⟺∥2w;u−v∥≤u+v?
  • [ ] xTY−1x≤t 的 Schur 补改写?
  • [ ] ∥Ax+b∥2≤t 的 SOC 改写?
  • [ ] 椭球 / 多面体 / 高斯不确定下的鲁棒 LP?
  • [ ] LP ⊂ QP ⊂ QCQP ⊂ SOCP ⊂ SDP 的顺序与转化方向?

8. 常见陷阱 ​

  1. 凸 QP 的等式约束必须仿射——不可以放二次等式。
  2. "分式"目标若分母可正可负,必须先约束分母 > 0(Linear-fractional 的 dom 限制)。
  3. SOCP 与 QCQP 的等价:每个凸 QCQP 都可写成 SOCP,但反之未必(讲义里有提示)。
  4. SDP 的对偶仍是 SDP,但 LP 的对偶是 LP(不进入 SOCP),SOCP 的对偶仍是 SOCP——别在层级上写串了。
  5. "max 形式"的目标在 LP 中:minmax → 引 t 之后约束变多但仍是 LP;maxmin 不是 LP(这是为什么有对偶)。
  6. A3.6 的"是不是 SOCP"是个陷阱题:直接的 ∑∥ai−x∥2 是 QP,不是天然的 SOCP,但可以"等价改写"成 SOCP——具体写法和"是否值得改写"都要思考。

9. 接下来怎么学 ​

  1. 把 §3 五大模板和 §6 六个招式默写一遍。
  2. 完成 A3 与 hw07 的所有题(重点 hw07.1, hw07.2, hw07.3)。
  3. 进入 4_最优性条件,把"建模"过渡到"求解"。