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卡罗需-库恩-塔克条件(KKT条件)
含不等式约束的优化问题也可以利用拉格朗日乘子法进行求解
向量表示的一般形式的优化问题:
其中,
对于一个不等式约束 ,如果在 处,那么称该不等式是处的起作用的约束;如果在 处,那么称该不等式是处的不起作用的约束。按惯例,把等式约束当作总是起作用的约束。
设 满足 ,设 为起作用不等式约束下标集
如果向量
是线性无关的,则称是一个正则点。
KKT条件
局部极小点所应该满足的一阶必要条件,也称为卡罗需一库恩一塔克(Karush-Kuhn_Tucker) 条件。
设 , 是问题的一个正则点和局部极小点,则必然存在,使得以下条件成立:
其中, 为拉格朗日乘子向量, 为KKT乘子向量,向量中的元素分别称为拉格朗日乘子和KKT乘子。
由定理 和,则条件
意味,如果 ,则 。也就是对于所有的 恒成立,即不起作用约束对应的KKT乘子 等于0;其他KKT乘子是非负的,可以等于0或者不等于0。
KKT 定理的几何解释
二维的情况,只包含不等式约束 。图中的点是一个极小点。由于约束 对 是不起作用约束,因此, 。由 KKT 定理可得:
或
, 。图中清楚地看出, 必须是向量 和 的线性组合,且系数必须是正 数。同样的, 从上面式子中也能得到相同的结论 (其中 和 是 KKT 乘子)。
KKT条件是极小点的必要条件,因此,应按照必要条件的使用方式利用KKT条件搜索满足条件的点,并把这些点作为极小点的候选对象。KKT条件由以下5部分组成:
二阶条件
与只包含等式约束的极值问题一样,对于包含不等式约束的极值问题,同样可以给出二阶充分必要条件。
定义矩阵
其中, 是 在点 处的黑塞矩阵, 表示:
表示:
是在处的黑塞矩阵
记
代表由起作用约束所定义曲面的切线空间。
二阶必要条件
设 , 是一个正则点和局部极小点,则必然存在 ,使得以下条件成立:
- ;
- 对于所有 ,都有 。
记 其中,
二阶充分条件
设 , 是一个可行点,存在向量 使得
- 对于所有 ,都有
则 是优化问题 的严格局部极小点。