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凸优化 ​

课程简介 ​

凸优化是数学优化的重要分支,主要研究凸集上的凸函数优化问题。在机器学习、信号处理、控制理论等领域有广泛应用。

学习内容 ​

凸集与凸函数 ​

  • 凸集的定义与性质
  • 凸函数的定义与判定
  • 凸函数的性质

凸优化问题 ​

  • 线性规划
  • 二次规划
  • 半定规划
  • 锥规划

优化算法 ​

  • 梯度下降法
  • 牛顿法
  • 内点法
  • 对偶方法

学习笔记 ​

第一章:凸集 ​

1.1 凸集的定义 ​

定义:集合 C⊆Rn 是凸集,当且仅当对于任意 x1,x2∈C 和任意 θ∈[0,1],有:

θx1+(1−θ)x2∈C

几何意义:连接集合中任意两点的线段都在集合内。

1.2 凸集的例子 ​

  1. 超平面:{x|aTx=b}
  2. 半空间:{x|aTx≤b}
  3. 多面体:有限个半空间的交集
  4. 椭球:{x|(x−xc)TP−1(x−xc)≤1}

第二章:凸函数 ​

2.1 凸函数的定义 ​

定义:函数 f:Rn→R 是凸函数,当且仅当对于任意 x1,x2∈dom f 和任意 θ∈[0,1],有:

f(θx1+(1−θ)x2)≤θf(x1)+(1−θ)f(x2)

2.2 凸函数的判定 ​

一阶条件:如果 f 可微,则 f 是凸函数当且仅当:

f(y)≥f(x)+∇f(x)T(y−x)

二阶条件:如果 f 二阶可微,则 f 是凸函数当且仅当:

∇2f(x)⪰0

实践练习 ​

  • [ ] 证明常见函数的凸性
  • [ ] 实现梯度下降算法
  • [ ] 解决凸优化问题实例

参考资料 ​

  • 教材:《Convex Optimization》- Boyd & Vandenberghe
  • 在线课程:Stanford CS229 Machine Learning
  • 软件工具:CVXPY, CVX

最后更新:2024年9月9日

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