数值优化——简介及无约束优化基础

1、优化问题的基本格式

数值优化——简介及无约束优化基础_第1张图片

 其中,满足约束条件的点的集合称之为可行域

2、优化问题的分类

A、从变量的角度

连续优化:可行集通常是无限的

离散优化:变量是整数集合

B、从约束的角度

约束优化和无约束优化

C、从解的角度

局部优化和全局优化(对于凸优化问题,局部解和全局解等价;但是普遍情况下很难找到一个优化问题的全局最优解)

凸集:

凸函数:

 当上式的不等号严格成立时,称之为严格凸函数.

3、无约束优化的基础

问题描述:

数值优化——简介及无约束优化基础_第2张图片

 解的分类:

全局极小值:

局部极小值:

(大多数算法只能找到一个局部极小值) 

关于局部极小值,可以更细的分为严格局部极小值和孤立局部极小值;其中孤立极小值一定是严格的,但是严格的并不一定时孤立的(在一个严格极小值附近可能有无穷多个点趋近于他,此时函数值也可以取到局部极小值。

如何判别一个点时局部极小值点?下面介绍五个定理(这五个定理的证明要掌握)

(Taylor定理是用于研究光滑函数极小化问题数学工具)

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证明思路: 反证法,假设结论不成立,然后与已知条件相矛盾。

驻点:使得\nabla f(x^{*})=0的点称之为驻点。根据定理2.2我们可以看到局部极小值点一定是一个驻点.

 证明思路: 反证法,假设结论不成立,然后与已知条件相矛盾。

  证明思路:结合Taylor展开,证明在x^{*}的领域内,任一点x均满足f(x)>f(x^{*})

PS:定理 2.4中产生的解是一个严格局部极小值点,而定理2.3中是一个局部极小值

  证明思路:(i)反证法,然后结合如函数的性质进一步与已知条件矛盾,从而结论得证

                    (ii)反证法利用凸函数性质和向量函数求导

通过上面的五个定理,我们可以感受到Taylor展开的重要性,以及在之后的很多定理证明中都会出用到反证的思路,

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