• 对偶与Proximal


    定理.conjugate subgradient theorem

    Iudv60.png

    这个定理比较重要的一点在于指导如何求解对偶梯度,例如对于(y)存在(xinpartial f^*(y)),则(x)需要满足

    [langle x,y angle-f(x)=f^*(y)=max_{sup ilde{x}}(langle ilde x, y angle-f( ilde x)) ]

    那么这时候我们只需要找到( ilde{x})即可求得对偶函数的梯度。

    无约束条件下的算法

    BB Algorithm

    [egin{align} x^{k+1}&=x^{k}-alpha_k abla f(x^k)\ alpha_k&=frac{s_k^Ts_k}{s_k^Ty_k} end{align} ]

    where

    [egin{align} s^k&=x^k-x^{k-1}\ y_k&= abla f(x^{k})- abla f(x^{k-1}) end{align} ]

    Proximal Point Method

    [egin{align} x^{k+1}&=argmin_{x}{f(x)+frac{1}{2alpha_k}Vert x-x^kVert}\ &= ext{prox}_{alpha_kf}(x^k) end{align} ]

    (x)进行求梯度

    [x^{k+1}=x_k-alpha_k abla f(x^{k+1}) ]

    Proximal Gradient Method

    [min f(x)+g(x) ]

    其中(f)凸光滑,(g)凸不光滑。对(f)函数进行展开逼近

    [egin{align}x^{k+1}&=argmin_{x}f(x^k)+langle abla f(x^k), x-x^k angle+frac{1}{2alpha_k}Vert x-x^kVert +g(x)\ &= ext{prox}_{alpha_kg}(x^k-alpha_k abla f(x^k)) end{align} ]

    对偶视角

    考虑一个线性凸约束问题

    [egin{align} min_x & f(x)\ ext{s.t.}&Ax=b end{align} ]

    构建Lagrange函数

    [mathcal{L}(x, y)=f(x)+langle y, Ax-b angle ]

    (d(y)=-min_{x}mathcal{L}(x, y)),则对偶问题为

    [min_y d(y) ]

    对偶梯度上升

    利用梯度的方法得到

    [y^{k+1}=y^k-alpha_kpartial d(y^k) ]

    其中

    [egin{align} d(y)&=-min_xmathcal{L}(x,y)\ &=-min_x f(x)+y^TAx-y^Tb\ &=[-min_x -(-y^TAx-f(x)]+y^Tb\ &=f^*(-A^Ty)+y^Tb end{align} ]

    [egin{align} partial d(y)=-A f^*(-A^Ty)+b label{eq:gradient of y} end{align} ]

    利用共轭函数的定理需求共轭函数的梯度,则此时的( ilde{x})需要满足

    [egin{align} ilde{x}&=argmax_{ ilde{x}}{langle -A^Ty, ilde{x} angle-f( ilde{x})}\ &=argmin_{ ilde{x}}{langle A^Ty, ilde{x} angle+f( ilde{x})-y^Tb}\ &=argmin_xmathcal{L}(x, y) end{align} ]

    此时的更新方式为,也称对偶梯度上升

    Dual Proximal point method

    此时(y)的更新方式为

    [y^{k+1}=y^{k}-alpha_kpartial d(y^{k+1}) ]

    ( ef{eq:gradient of y})可知

    [egin{align} partial d(y^k+1)&=-A partial f(-A^Ty^{k+1})+b\ &=-Aargmin_xmathcal{L}(x, y^{k+1})+b end{align} ]

    (x^{k+1})

    [egin{align} x^{k+1}&=argmin_x mathcal{L}(x, y^{k+1})\ &=argmin_x f(x)+langle y^{k+1}, A^Tx-b angle\ &=argmin_x f(x)+langle y^k+alpha_k(A^Tx-b), A^Tx-b angle\ &=argmin_x f(x)+langle y^k,(A^Tx-b) angle +frac{alpha}{2}Vert A^Tx-b Vert^2\ end{align} ]

    (x^{k+1})为增广拉格朗日,更新方式为

    Dual Proximal Gradient Method

    考虑问题

    [egin{align} min_x& f(x)+g(z)\ ext{s.t.}& Ax+Bz=b end{align} ]

    同样(f)凸光滑,(g)凸非光滑。Lagrange函数为

    [mathcal{L}(x,z)=underbrace{f(x)+y^TAx}_{mathcal{L}_1(x, y)}+underbrace{g(z)+y^TBz-y^Tb}_{mathcal{L}_2(z,y)} ]

    (d_1(y)=-min_xmathcal{L}_1(x, y))(d_2(y)=-min_zmathcal{L}_2(z,y))。对于对偶问题

    [min_y d_1(y)+d_2(y) ]

    利用Proximal Gradient Method更新(y)得到

    [y^{k+1}= ext{prox}_{alpha_k d_2} (y^k-alpha_kpartial d_1(y^{k})) ]

    [left{ egin{align} y^{k+1/2}&=y^k-alpha_kpartial d_1(y^k)& \ y^{k+1}&= ext{prox}_{alpha_k d_2}(y^{k+1/2})&end{align} ight. ]

    (y^{k+1/2})进行梯度下降,第二步进行proximal操作。其中

    [partial d_1(y^{k})=-Ax^{k+1} ]

    (x_{k+1}=argmin_x mathcal{L_1}(x, y))。第二步(y^{k+1})更新为

    [egin{align} y^{k+1} &= ext{prox}_{alpha_k d_2}(y^{k+1/2})\ &=y^{k+1/2}-alpha_k partial d_2(y^{k+1}) end{align} ]

    (partial d_2(y^{k+1})=-Bz^{k+1}+b),而(z^{k+1}=argmin_z mathcal{L}_2(z,y^{k+1/2}))。最终的更新为

    [left { egin{align} x^{k+1}&=argmin_x mathcal{L}_1(x, y^k)\ y^{k+1/2}&=y^{k}+alpha_kAx^{k+1}\ z^{k+1}&=argmin_z mathcal{L}_2(z,y^{k+1/2})\ y^{k+1}&=y^{k+1/2}+alpha_k(Bz^{k+1}-b) end{align} ight. ]

    总结

    我们只需要记住proximal操作是

    [x^{k+1}=x^k-alpha abla f(x^{k+1}) ]

    而对于有约束的问题我们需要求解对偶变量及其梯度。当求对偶变量梯度的时候使用共轭次梯度定理,满足定理条件的primal variable就是其当前次梯度。

    [x=argmax_x{y^Tx-f(x)} ]

    参考资料

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