Tentang edisi terpadu ini

Status dan hak komponen. Pembaca ini menyatukan bahan yang sudah diterima ke dalam satu urutan kursus tanpa mengubah kepemilikan atau lisensi masing-masing komponen. Tulang punggung terstruktur adalah terjemahan lengkap catatan Andreas Habring, arXiv:2607.11664v1, berdasarkan Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Tiga suplemen terbatas dari catatan Stephen Becker yang diketik Mitchell Krock digunakan berdasarkan Lisensi MIT. Bab penghubung, asesmen, solusi, laboratorium, dan proyek yang ditulis khusus untuk edisi ini tersedia berdasarkan Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International (CC BY-SA 4.0). Tidak ada klaim lisensi payung.

Edisi Bahasa Indonesia ini mandiri dan bukan edisi resmi atau dukungan Habring, Becker, Krock, institusi mereka, ataupun penyedia sumber pendamping. Materi MIT OpenCourseWare, Clément Royer, dan Penn State tetap menjadi pembaca pendamping terpisah. Materi O018 tentang program linear atau bilangan bulat, simpleks, sensitivitas LP, dan optimisasi jaringan berada di luar cakupan.

Produksi edisi dan pemeriksaan deterministik menggunakan OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra. Semua kredit pengarang sumber dan kontribusi manusia tetap dipertahankan. HTML dan EPUB 3 ini adalah permukaan reflow utama; rumus disajikan sebagai MathML dengan anotasi TeX sumber untuk sistem baca yang mendukungnya.

Tulang Punggung: Optimisasi Konveks

Prakata

Catatan ini dibangun di atas slide kuliah yang disusun oleh Prof. Thomas Pock. Naskah ini belum merupakan versi final dan mungkin masih memuat salah ketik atau kesalahan, serta kekurangan teks penghubung di antara hasil-hasilnya. Catatan ini terutama berfungsi sebagai kumpulan materi untuk kuliah terkait yang saya ampu pada semester musim panas 2026 di Graz University of Technology.

Saya berterima kasih kepada Prof. Christian Clason atas templat LaTeX yang indah ini.

Prasyarat

Ruang vektor, norma, dan hasil kali dalam

Ruang vektor atas suatu medan 𝔽\mathbb{F} adalah himpunan VV yang dilengkapi dengan dua operasi +:V×VV+:V\times V\rightarrow V, (u,v)u+v(u,v)\mapsto u+v, dan :𝔽×VV\cdot:\mathbb{F}\times V\rightarrow V, (λ,v)λv(\lambda,v)\mapsto\lambda\cdot v, sedemikian sehingga

  1. (V,+)(V,+) merupakan grup Abel; yaitu, untuk setiap u,v,wVu,v,w\in V berlaku:

    1. Asosiativitas: (u+v)+w=u+(v+w)(u+v)+w=u+(v+w).

    2. Unsur netral: terdapat eVe\in V sehingga v+e=e+v=vv+e=e+v=v. Kita menuliskan e=0e=0.

    3. Unsur invers: terdapat ṽV\widetilde v\in V sehingga v+ṽ=0v+\widetilde v=0. Kita menuliskan ṽ=v\widetilde v=-v.

    4. Komutativitas: v+w=w+vv+w=w+v.

  2. Hukum-hukum skalar berikut berlaku untuk setiap u,vVu,v\in V dan λ,μ𝔽\lambda,\mu\in\mathbb{F}:

    1. λ(μv)=(λμ)v\lambda\cdot(\mu\cdot v)=(\lambda\mu)\cdot v.

    2. λ(u+v)=(λu)+(λv)\lambda\cdot(u+v)=(\lambda\cdot u)+(\lambda\cdot v).

    3. (λ+μ)v=(λv)+(μv)(\lambda+\mu)\cdot v=(\lambda\cdot v)+(\mu\cdot v).

    4. 1v=v1\cdot v=v.

Kita menuliskan λv=λv\lambda\cdot v=\lambda v.

Mulai sekarang kita membatasi pembahasan pada 𝔽=\mathbb{F}=\mathbb{R}.

  1. d\mathbb{R}^d: ruang vektor yang terdiri atas vektor berbentuk v=(v1vd),\begin{equation} v=\begin{pmatrix} v_1\\ \vdots\\ v_d \end{pmatrix}, \end{equation} dengan viv_i\in\mathbb{R}, penjumlahan dilakukan komponen demi komponen, dan perkalian skalar diterapkan pada setiap komponen. Suatu hasil matematika penting menyatakan bahwa setiap ruang vektor berdimensi hingga dapat diidentifikasi dengan d\mathbb{R}^d, dengan dd dimensinya. Karena itu, ketika bekerja dengan ruang berdimensi hingga, kita biasanya dapat membayangkan d\mathbb{R}^d.

  2. Ruang fungsi: misalkan Ωd\Omega\subset\mathbb{R}^d dan f,g:Ωf,g:\Omega\rightarrow\mathbb{R}. Kita dapat mendefinisikan f+gf+g serta, untuk λ\lambda\in\mathbb{R}, λf\lambda f secara titik demi titik melalui (f+g)(x)=f(x)+g(x),(λf)(x)=λf(x).\begin{gather} (f+g)(x)=f(x)+g(x),\\ (\lambda f)(x)=\lambda f(x). \end{gather} Dengan cara ini kita dapat membentuk berbagai ruang fungsi. Salah satu contohnya ialah ruang fungsi linear. Mengapa ini benar-benar merupakan ruang vektor yang terdefinisi dengan baik?

Norma adalah fungsi :V[0,)\|\,\cdot\,\|:V\rightarrow[0,\infty) sedemikian sehingga, untuk setiap λ\lambda\in\mathbb{R} dan u,vVu,v\in V, berlaku

  1. Ketegasan positif: v=0\|v\|=0 jika dan hanya jika v=0v=0.

  2. Homogenitas: λu=|λ|u\|\lambda u\|=|\lambda|\|u\|.

  3. Ketaksamaan segitiga: u+vu+v\|u+v\|\leq\|u\|+\|v\|.

Pasangan (V,)(V,\|\,\cdot\,\|) disebut ruang bernorma.

Berdasarkan kodomainnya, norma selalu tak negatif.

Mulai sekarang semua ruang vektor dianggap bernorma. Jika tidak menimbulkan ambiguitas, kita cukup menuliskan normanya sebagai \|\,\cdot\,\|. Untuk menyatakan norma tertentu kita menggunakan, misalnya, \|\,\cdot\,\|_\bigstar, dengan \bigstar suatu simbol yang menandai norma tersebut; bandingkan [preliminiaries:example:norms].

  1. Norma p\ell^p: untuk p[1,)p\in[1,\infty) kita menuliskan vp=(i=1d|vi|p)1/p.\begin{equation} \|v\|_p=\bigg(\sum_{i=1}^d|v_i|^p\bigg)^{1/p}. \end{equation} Untuk p=p=\infty kita menuliskan v=maxi=1,,d|vi|.\begin{equation} \|v\|_\infty=\max_{i=1,\dots,d}|v_i|. \end{equation}

  2. Tinjau ruang matriks n×mn\times m, yaitu n×m\mathbb{R}^{n\times m}. Setiap matriks An×mA\in\mathbb{R}^{n\times m} dapat diidentifikasi dengan fungsi linear melalui (Av)i=j=1mAi,jvj,i=1,,n.\begin{equation} (Av)_i=\sum_{j=1}^m A_{i,j}v_j,\qquad i=1,\dots,n. \end{equation} Norma-norma berikut sering digunakan pada n×m\mathbb{R}^{n\times m}:

    • Norma Frobenius: AF=i,j|Ai,j|2\|A\|_F=\sqrt{\sum_{i,j}|A_{i,j}|^2}.

    • Norma terinduksi: untuk setiap pasangan norma a\|\,\cdot\,\|_a pada m\mathbb{R}^m dan b\|\,\cdot\,\|_b pada n\mathbb{R}^n, kita mendefinisikan Aa,bsupva1Avb=supv0Avbva.\begin{equation} \|A\|_{a,b} \coloneq\sup_{\|v\|_a\leq1}\|Av\|_b =\sup_{v\neq0}\frac{\|Av\|_b}{\|v\|_a}. \end{equation} Norma terinduksi memenuhi AvbAa,bva\|Av\|_b\leq\|A\|_{a,b}\|v\|_a. Jika a=ba=b, kita menuliskan a,a=a\|\,\cdot\,\|_{a,a}=\|\,\cdot\,\|_a. Secara khusus, A1=maxji|Ai,j|,A=maxij|Ai,j|,A2=λmax(AA).\begin{gather} \|A\|_1=\max_j\sum_i|A_{i,j}|,\\ \|A\|_\infty=\max_i\sum_j|A_{i,j}|,\\ \|A\|_2=\sqrt{\lambda_{\mathrm{max}}(A^\top A)}. \end{gather}

    Di sini λmax\lambda_{\mathrm{max}} menyatakan nilai eigen terbesar.

  3. Untuk fungsi terukur Lebesgue f:Ωf:\Omega\rightarrow\mathbb{R}, dengan Ωd\Omega\subset\mathbb{R}^d terukur, kita dapat mendefinisikan norma LpL^p melalui fp=(Ω|f(x)|pdx)1/p,1p<,\begin{equation} \|f\|_p=\bigg(\int_\Omega|f(x)|^p\mathrm{d}x\bigg)^{1/p}, \qquad 1\leq p<\infty, \end{equation} dan1 f=ess supxΩ|f(x)|.\begin{equation} \|f\|_\infty=\operatorname*{ess\,sup}_{x\in\Omega}|f(x)|. \end{equation} Dengan mengidentifikasi fungsi-fungsi yang sama hampir di mana-mana, p\|\,\cdot\,\|_p mendefinisikan norma pada ruang vektor Lp(Ω)={f:Ωf terukur dan fp<}/a.e..\begin{equation} L^p(\Omega)= \{f:\Omega\rightarrow\mathbb{R}\mid f\text{ terukur dan }\|f\|_p<\infty\} /\!\sim_{\mathrm{a.e.}}. \end{equation}

Semua norma pada d\mathbb{R}^d ekuivalen. Artinya, untuk setiap dua norma a\|\,\cdot\,\|_a dan b\|\,\cdot\,\|_b, terdapat m,M>0m,M>0 sedemikian sehingga untuk setiap vdv\in\mathbb{R}^d berlaku mvavbMva.\begin{equation} m\|v\|_a\leq\|v\|_b\leq M\|v\|_a. \end{equation}

Pemetaan ,:V×V\langle\,\cdot\,,\,\cdot\,\rangle:V\times V\rightarrow\mathbb{R} disebut hasil kali skalar atau hasil kali dalam jika, untuk setiap u,v,wVu,v,w\in V dan skalar yang relevan, berlaku

  1. Bilinearitas: pemetaan ww,uw\mapsto\langle w,u\rangle dan wu,ww\mapsto\langle u,w\rangle bersifat linear.

  2. Ketegasan positif: u,u0\langle u,u\rangle\geq0, dan kesamaan berlaku jika dan hanya jika u=0u=0.

  3. Simetri: u,v=v,u\langle u,v\rangle=\langle v,u\rangle.

Setiap hasil kali dalam mendefinisikan norma melalui vv,v\|v\|\coloneq\sqrt{\left\langle v,v\right\rangle}. Dalam hal ini, VV disebut ruang hasil kali dalam.

Pada setiap ruang hasil kali dalam VV berlaku v,w|v,w|vw,v,wV,\begin{equation} \left\langle v,w\right\rangle\leq|\left\langle v,w\right\rangle|\leq\|v\|\|w\|, \qquad v,w\in V, \end{equation} dan ketaksamaan kedua bersifat ketat apabila vv dan ww tidak kolinear.

Proof. Kita boleh mengandaikan v,w0v,w\neq0, sebab jika tidak hasilnya langsung berlaku. Untuk setiap λ\lambda\in\mathbb{R}, 0vλw,vλw=v22λv,w+λ2w2.\begin{equation} \label{preliminaries:eq:CS} 0\leq\left\langle v-\lambda w,v-\lambda w\right\rangle =\|v\|^2-2\lambda\left\langle v,w\right\rangle+\lambda^2\|w\|^2. \end{equation} Ambil λ=v,w/w2\lambda=\left\langle v,w\right\rangle/\|w\|^2. Maka 0v2|v,w|2w2,\begin{equation} 0\leq\|v\|^2-\frac{|\left\langle v,w\right\rangle|^2}{\|w\|^2}, \end{equation} yang memberikan |v,w|vw|\left\langle v,w\right\rangle|\leq\|v\|\|w\|. Jika vv dan ww tidak kolinear, maka vλw0v-\lambda w\neq0 untuk setiap λ\lambda, sehingga ketaksamaan dalam [preliminaries:eq:CS], dan dengan demikian ketaksamaan Cauchy–Schwarz, bersifat ketat. ◻

Misalkan p,q[1,]p,q\in[1,\infty] memenuhi 1p+1q=1\frac1p+\frac1q=12. Untuk setiap u,vdu,v\in\mathbb{R}^d yang dilengkapi dengan hasil kali dalam baku, berlaku u,v|u,v|upvq.\begin{equation} \left\langle u,v\right\rangle\leq|\left\langle u,v\right\rangle|\leq\|u\|_p\|v\|_q. \end{equation}

Proof. Kita membedakan kasus-kasus berikut.

  • p=1p=1 dan q=q=\infty: dengan mudah diperoleh |u,v|i|ui||vi|i|ui|v=vu1.\begin{equation} |\left\langle u,v\right\rangle| \leq\sum_i|u_i||v_i| \leq\sum_i|u_i|\|v\|_\infty =\|v\|_\infty\|u\|_1. \end{equation} Kasus p=p=\infty, q=1q=1 mengikuti dengan menukar uu dan vv.

  • 1<p<1<p<\infty: ketaksamaan jelas benar jika u=0u=0 atau v=0v=0, sehingga andaikan u,v0u,v\neq0. Ketaksamaan Young menyatakan bahwa untuk eksponen konjugat 1<p,q<1<p,q<\infty dan a,b0a,b\geq0 berlaku abap/p+bq/qab\leq a^p/p+b^q/q. Karena itu, |u,v|i|ui||vi|i(|ui|pp+|vi|qq)=uppp+vqqq.\begin{equation} \label{eq:prelim:hoelder} |\left\langle u,v\right\rangle| \leq\sum_i|u_i||v_i| \leq\sum_i\left(\frac{|u_i|^p}{p}+\frac{|v_i|^q}{q}\right) =\frac{\|u\|_p^p}{p}+\frac{\|v\|_q^q}{q}. \end{equation} Mengganti uu dengan u/upu/\|u\|_p dan vv dengan v/vqv/\|v\|_q dalam [eq:prelim:hoelder] memberikan |u,v|upvq=|uup,vvq|u/upppp+v/vqqqq=1p+1q=1.\begin{equation} \begin{aligned} \frac{|\left\langle u,v\right\rangle|}{\|u\|_p\|v\|_q} &=\left|\left\langle \frac{u}{\|u\|_p},\frac{v}{\|v\|_q}\right\rangle\right|\\ &\leq \frac{\left\|u/\|u\|_p\right\|_p^p}{p} +\frac{\left\|v/\|v\|_q\right\|_q^q}{q} =\frac1p+\frac1q=1. \end{aligned} \end{equation}

 ◻

Dengan ketaksamaan Hölder, kita dapat menunjukkan bahwa norma p\ell^p memenuhi ketaksamaan segitiga, yaitu bagian tersulit dalam membuktikan bahwa besaran tersebut benar-benar merupakan norma.

Untuk setiap p[1,]p\in[1,\infty] berlaku x+ypxp+yp,x,yd.\begin{equation} \|x+y\|_p\leq\|x\|_p+\|y\|_p, \qquad x,y\in\mathbb{R}^d. \end{equation}

Proof. Kasus p{1,}p\in\{1,\infty\} ditinggalkan sebagai latihan sederhana. Jadi, andaikan 1<p<1<p<\infty. Kita boleh mengandaikan x+yp0\|x+y\|_p\neq0, sebab jika tidak hasilnya langsung berlaku. Dengan ketaksamaan Hölder dan hubungan p1=p/qp-1=p/q, diperoleh x+ypp=i|xi+yi||xi+yi|p1i|xi||xi+yi|p1+i|yi||xi+yi|p1(xp+yp)(i|xi+yi|(p1)q)1/q=(xp+yp)x+ypp/q.\begin{equation} \begin{aligned} \|x+y\|_p^p &=\sum_i|x_i+y_i||x_i+y_i|^{p-1}\\ &\leq\sum_i|x_i||x_i+y_i|^{p-1} +\sum_i|y_i||x_i+y_i|^{p-1}\\ &\leq(\|x\|_p+\|y\|_p) \bigg(\sum_i|x_i+y_i|^{(p-1)q}\bigg)^{1/q}\\ &=(\|x\|_p+\|y\|_p)\|x+y\|_p^{p/q}. \end{aligned} \end{equation} Membagi kedua ruas dengan x+ypp/q\|x+y\|_p^{p/q} menyelesaikan bukti. ◻

Barisan dan topologi dasar

Barisan (xn)nd(x_n)_n\subset\mathbb{R}^d disebut konvergen jika terdapat xdx\in\mathbb{R}^d sedemikian sehingga untuk setiap ϵ>0\epsilon>0 terdapat NN\in\mathbb{N} dengan nNxxnϵ.\begin{equation} n\geq N\quad\Longrightarrow\quad\|x-x_n\|\leq\epsilon. \end{equation}

Berdasarkan ekuivalensi norma, kekonvergenan tidak bergantung pada pilihan norma.

Barisan (xn)nV(x_n)_n\subset V disebut barisan Cauchy jika dan hanya jika untuk setiap ϵ>0\epsilon>0 terdapat NN\in\mathbb{N} sedemikian sehingga xnxm<ϵ\|x_n-x_m\|<\epsilon bagi setiap n,mNn,m\geq N.

Sifat Cauchy serupa dengan kekonvergenan. Namun, perhatikan bahwa sifat Cauchy dapat dirumuskan tanpa gagasan titik limit. Hasil berikut mudah dibuktikan.

Setiap barisan konvergen merupakan barisan Cauchy.

Proof. Misalkan xnx̂x_n\rightarrow\hat x. Ketaksamaan segitiga memberikan xnxmxnx̂+xmx̂,\begin{equation} \|x_n-x_m\|\leq\|x_n-\hat x\|+\|x_m-\hat x\|, \end{equation} dan kedua suku di ruas kanan dapat dibuat sekecil yang diinginkan dengan memilih n,mn,m cukup besar. ◻

Ruang bernorma (V,)(V,\|\,\cdot\,\|) disebut ruang Banach jika setiap barisan Cauchy konvergen. Artinya, jika (xn)n(x_n)_n merupakan barisan Cauchy, terdapat xVx\in V sehingga xnx0\|x_n-x\|\rightarrow0 ketika nn\rightarrow\infty. Jika normanya berasal dari suatu hasil kali dalam, ruang Banach tersebut disebut ruang Hilbert.

Ruang (d,p)(\mathbb{R}^d,\|\,\cdot\,\|_p) merupakan ruang Banach untuk setiap 1p1\leq p\leq\infty.

Suatu himpunan AdA\subset\mathbb{R}^d disebut

  • terbuka jika untuk setiap xAx\in A terdapat ϵ>0\epsilon>0 sehingga Bϵ(x)AB_\epsilon(x)\subset A;

  • tertutup jika AcA^c terbuka. Ketertutupan ekuivalen dengan sifat berikut: jika (xn)nA(x_n)_n\subset A dan xnxdx_n\rightarrow x\in\mathbb{R}^d, maka xAx\in A.

Himpunan AdA\subset\mathbb{R}^d disebut kompak secara sekuensial jika setiap barisan di AA mempunyai suatu subbarisan yang konvergen ke titik di AA. Dengan kata lain, untuk setiap (xn)nA(x_n)_n\subset A terdapat subbarisan (xn(k))k(x_{n(k)})_k dan titik xAx\in A sedemikian sehingga xn(k)xx_{n(k)}\rightarrow x.

Dalam ruang vektor berdimensi hingga, setiap barisan terbatas mempunyai subbarisan konvergen.

Proof. Pertama andaikan dimensinya satu, sehingga ruangnya adalah \mathbb{R}. Misalkan (xn)n(x_n)_n\subset\mathbb{R} terbatas. Secara induktif kita membangun dua barisan (an)n(a_n)_n dan (bn)n(b_n)_n dengan anbna_n\leq b_n, [an,bn][an1,bn1][a_n,b_n]\subset[a_{n-1},b_{n-1}], bnan=(bn1an1)/2b_n-a_n=(b_{n-1}-a_{n-1})/2, dan, yang terpenting, [an,bn][a_n,b_n] memuat tak hingga banyaknya suku xkx_k untuk setiap nn.

Karena barisan terbatas, pilih a0,b0a_0,b_0 sehingga (xn)n[a0,b0](x_n)_n\subset[a_0,b_0]. Jelas interval ini memuat tak hingga banyaknya suku xkx_k. Andaikan an,bna_n,b_n telah dipilih dan tetapkan mn=(an+bn)/2m_n=(a_n+b_n)/2. Karena [an,bn][a_n,b_n] memuat tak hingga banyaknya suku xkx_k, setidaknya salah satu dari [an,mn][a_n,m_n] dan [mn,bn][m_n,b_n] juga memuat tak hingga banyaknya suku. Pilih interval tersebut sebagai [an+1,bn+1][a_{n+1},b_{n+1}].

Sekarang kita membangun subbarisan (xn(k))k(x_{n(k)})_k secara induktif. Pilih n(0)n(0) sehingga xn(0)[a0,b0]x_{n(0)}\in[a_0,b_0]. Jika n(0),,n(m)n(0),\ldots,n(m) telah dipilih, tetapkan, misalnya, n(m+1)=min{jj>n(m),xj[am+1,bm+1]}n(m+1)=\min\{j\in\mathbb{N}\mid j>n(m),\ x_j\in[a_{m+1},b_{m+1}]\}. Pilihan ini selalu mungkin karena interval tersebut memuat tak hingga banyaknya suku barisan.

Akhirnya, ambil sembarang kk\leq\ell. Karena xn(k),xn()[ak,bk]x_{n(k)},x_{n(\ell)}\in[a_k,b_k], berlaku |xn(k)xn()|bkak=2k(b0a0).\begin{equation} |x_{n(k)}-x_{n(\ell)}| \leq b_k-a_k=2^{-k}(b_0-a_0). \end{equation} Jadi (xn(k))k(x_{n(k)})_k merupakan barisan Cauchy dan karenanya konvergen.

Untuk dimensi lebih besar, yaitu d\mathbb{R}^d, mula-mula pilih subbarisan yang komponen pertamanya konvergen. Dari subbarisan itu pilih lagi subbarisan yang komponen keduanya konvergen, dan lanjutkan demikian. Subbarisan diagonal yang diperoleh setelah langkah ke-dd mempunyai semua komponen yang konvergen; khususnya, subbarisan itu konvergen dalam norma satu. Ekuivalensi norma kemudian memberikan kekonvergenan dalam setiap norma. ◻

Sebagai akibatnya, kita memperoleh hasil berikut.

Di d\mathbb{R}^d, suatu himpunan kompak jika dan hanya jika tertutup dan terbatas.

Proof. Misalkan AdA\subset\mathbb{R}^d tertutup dan terbatas, serta (xn)nA(x_n)_n\subset A. Berdasarkan keterbatasan dan [thm:bolzano], terdapat subbarisan konvergen; berdasarkan ketertutupan, limitnya berada di AA. Jadi AA kompak.

Sebaliknya, andaikan AA kompak. Jika AA tidak terbatas, untuk setiap nn\in\mathbb{N} kita dapat memilih xnAx_n\in A dengan xnn\|x_n\|\geq n. Barisan ini tidak mempunyai subbarisan konvergen, bertentangan dengan kekompakan. Jadi AA terbatas. Selanjutnya, misalkan (xn)nA(x_n)_n\subset A dan xnxdx_n\rightarrow x\in\mathbb{R}^d. Berdasarkan kekompakan, (xn)n(x_n)_n mempunyai subbarisan (xn(k))k(x_{n(k)})_k yang konvergen ke suatu titik di AA. Setiap subbarisan dari barisan konvergen mempunyai limit yang sama, sehingga x=limkxn(k)Ax=\lim_kx_{n(k)}\in A. Jadi AA tertutup. ◻

Fungsi

Misalkan f:VEf:V\rightarrow E suatu pemetaan di antara dua ruang bernorma. Fungsi ff disebut kontinu di vVv\in V jika salah satu dari dua syarat ekuivalen berikut dipenuhi:

  • untuk setiap barisan vnvv_n\rightarrow v, berlaku f(vn)f(v)f(v_n)\rightarrow f(v);

  • untuk setiap ϵ>0\epsilon>0 terdapat δ>0\delta>0 sedemikian sehingga uvδf(u)f(v)ϵ.\begin{equation} \|u-v\|\leq\delta \quad\Longrightarrow\quad \|f(u)-f(v)\|\leq\epsilon. \end{equation}

Jika ff kontinu pada setiap vVv\in V, kita cukup mengatakan bahwa ff kontinu.

Misalkan f:VEf:V\rightarrow E suatu pemetaan di antara dua ruang bernorma. Fungsi ff disebut kontinu Lipschitz jika terdapat L0L\geq0 sedemikian sehingga f(u)f(v)Luv,u,vV.\begin{equation} \|f(u)-f(v)\|\leq L\|u-v\|, \qquad u,v\in V. \end{equation}

Pemetaan linear dan ruang dual

Fungsi f:nmf:\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R}^m disebut linear jika f(λx+μy)=λf(x)+μf(y),x,yn,λ,μ.\begin{equation} f(\lambda x+\mu y)=\lambda f(x)+\mu f(y), \qquad x,y\in\mathbb{R}^n,\quad\lambda,\mu\in\mathbb{R}. \end{equation}

Pemetaan linear dapat diidentifikasi dengan matriks.

Ruang semua fungsi linear nm\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R}^m isomorfik3 dengan ruang semua matriks Am×nA\in\mathbb{R}^{m\times n}.

Proof. Kita mendefinisikan korespondensi satu-ke-satu dengan mengaitkan setiap f:nmf:\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R}^m pada matriks AfA_f yang diberikan oleh (Af)i,j=f(ej)i.\begin{equation} (A_f)_{i,j}=f(e_j)_i. \end{equation} Pembuktian bahwa korespondensi ini bijektif dan linear ditinggalkan sebagai latihan. ◻

Misalkan VV suatu ruang bernorma. Ruang dual V*V^* adalah ruang vektor semua fungsional linear kontinu dari VV ke \mathbb{R}, yaitu V*={f:Vf linear dan kontinu}.\begin{equation} V^*=\{f:V\rightarrow\mathbb{R}\mid f\text{ linear dan kontinu}\}. \end{equation} Unsur V*V^* disebut fungsional linear pada VV. Norma kanonik pada V*V^* adalah norma dual v*V*supvVvV1|v*(v)|.\begin{equation} \|v^*\|_{V^*} \coloneq\sup_{\substack{v\in V\\\|v\|_V\leq1}}|v^*(v)|. \end{equation} Dengan sedikit penyalahgunaan notasi, penerapan suatu unsur dual juga sering ditulis memakai notasi hasil kali dalam: v*,vv*(v).\begin{equation} \left\langle v^*,v\right\rangle\coloneq v^*(v). \end{equation}

Langsung dari definisi diperoleh |v*(v)|v*v.\begin{equation} |v^*(v)|\leq\|v^*\|\|v\|. \end{equation}

Hasil berikut sangat penting: pada ruang Hilbert, ruang dual dapat diidentifikasi dengan ruang itu sendiri. Hasil ini juga membenarkan penggunaan notasi hasil kali dalam untuk penerapan unsur dual.

Misalkan VV ruang Hilbert. Untuk setiap v*V*v^*\in V^* terdapat tepat satu vVv\in V sedemikian sehingga v*(w)=v,w,wV.\begin{equation} v^*(w)=\langle v,w\rangle, \qquad w\in V. \end{equation} Pemetaan v*vv^*\mapsto v linear dan memenuhi v=v*\|v\|=\|v^*\|. Secara khusus, V*VV^*\cong V.

Proof. Jika v*=0v^*=0, ambil v=0v=0. Jadi, andaikan v*0v^*\neq0. Karena ker(v*)\operatorname{ker}(v^*) merupakan subruang tertutup, teorema proyeksi ortogonal pada ruang Hilbert memberikan V=ker(v*)ker(v*)V=\operatorname{ker}(v^*)\oplus\operatorname{ker}(v^*)^\perp. Komponen ortogonal dari sembarang titik di luar kernel tidak nol; setelah dinormalkan, kita memperoleh zker(v*)z\in\operatorname{ker}(v^*)^\perp dengan v*(z)0v^*(z)\neq0 dan z=1\|z\|=1. Untuk sembarang wVw\in V, v*(zv*(w)wv*(z))=0,\begin{equation} v^*\bigl(zv^*(w)-wv^*(z)\bigr)=0, \end{equation} sehingga, berdasarkan ortogonalitas zz terhadap ker(v*)\operatorname{ker}(v^*), zv*(w)wv*(z),z=0.\begin{equation} \left\langle zv^*(w)-wv^*(z),z\right\rangle=0. \end{equation} Akibatnya, v*(w)=v*(w)z,z=zv*(w),z=zv*(w)wv*(z),z+wv*(z),z=w,v*(z)z.\begin{equation} \begin{aligned} v^*(w) &=v^*(w)\left\langle z,z\right\rangle =\left\langle zv^*(w),z\right\rangle\\ &=\left\langle zv^*(w)-wv^*(z),z\right\rangle +\left\langle wv^*(z),z\right\rangle\\ &=\left\langle w,v^*(z)z\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Jadi v=v*(z)zv=v^*(z)z merupakan unsur yang dicari. Ketunggalan, linearitas pemetaan representasi, dan kesamaan normanya ditinggalkan sebagai latihan. ◻

Pada d\mathbb{R}^d, untuk 1p1\leq p\leq\infty, norma dual dari p\|\,\cdot\,\|_p tepat sama dengan q\|\,\cdot\,\|_q, dengan 1p+1q=1\frac1p+\frac1q=1.

Sebagian besar pembaca mungkin telah mengenal adjoin atau transpos suatu matriks, yang diperoleh dengan menukar baris dan kolom. Untuk An×mA\in\mathbb{R}^{n\times m}, adjoin Am×nA^\top\in\mathbb{R}^{m\times n} didefinisikan oleh (A)i,j=Aj,i.\begin{equation} (A^\top)_{i,j}=A_{j,i}. \end{equation} Dengan hasil kali dalam baku, mudah diperiksa bahwa untuk setiap xmx\in\mathbb{R}^m dan yny\in\mathbb{R}^n berlaku Ax,y=x,Ay.\begin{equation} \left\langle Ax,y\right\rangle=\left\langle x,A^\top y\right\rangle. \end{equation} Sifat terakhir inilah yang mencirikan definisi formal adjoin suatu pemetaan linear. Secara khusus, adjoin bergantung pada hasil kali dalam yang dipilih.

Misalkan A:VWA:V\rightarrow W pemetaan linear kontinu di antara dua ruang Hilbert. Operator adjoin A*:WVA^*:W\rightarrow V didefinisikan oleh Ax,y=x,A*y,xV,yW.\begin{equation} \left\langle Ax,y\right\rangle=\left\langle x,A^*y\right\rangle, \qquad x\in V,\quad y\in W. \end{equation}

Tunjukkan bahwa adjoin merupakan operator linear yang terdefinisi dengan baik.

Misalkan U,V,WU,V,W ruang Hilbert. Untuk pemetaan linear kontinu A,B:VWA,B:V\rightarrow W dan λ\lambda\in\mathbb{R}, berlaku

  1. (A*)*=A(A^*)^*=A;

  2. (λA+B)*=λA*+B*(\lambda A+B)^*=\lambda A^*+B^*;

  3. jika A:UVA:U\rightarrow V dan B:VWB:V\rightarrow W linear kontinu, maka (BA)*=A*B*(BA)^*=A^*B^*.

Proof. Latihan. ◻

Misalkan VV ruang vektor. Fungsi f:V[,]f:V\rightarrow[-\infty,\infty] disebut fungsi bernilai real diperluas. Fungsi ff disebut proper jika tidak pernah bernilai -\infty dan terdapat xVx\in V dengan f(x)<f(x)<\infty. Domain efektif suatu fungsi proper ff didefinisikan sebagai dom(f)={xVf(x)<}.\begin{equation} \operatorname{dom}(f)=\{x\in V\mid f(x)<\infty\}. \end{equation}

Fungsi bernilai real diperluas yang sering digunakan adalah fungsi indikator. Untuk AVA\subset V, fungsi indikator didefinisikan oleh δA(x)={0,xA,,xA.\begin{equation} \delta_A(x)= \begin{cases} 0, &x\in A,\\ \infty, &x\notin A. \end{cases} \end{equation} Dengan fungsi indikator, masalah optimisasi berkendala dapat ditulis ulang sebagai masalah tak berkendala: minxCf(x)=minxV(f(x)+δC(x)).\begin{equation} \min_{x\in C}f(x)=\min_{x\in V}\bigl(f(x)+\delta_C(x)\bigr). \end{equation}

Epigraf fungsi f:V(,]f:V\rightarrow(-\infty,\infty] didefinisikan sebagai epi(f)={(x,t)V×f(x)t}.\begin{equation} \operatorname{epi}(f)=\{(x,t)\in V\times\mathbb{R}\mid f(x)\leq t\}. \end{equation} Fungsi disebut tertutup jika epigrafnya merupakan himpunan tertutup.

Jika AA tertutup, tunjukkan bahwa δA\delta_A juga tertutup.

Apakah domain suatu fungsi tertutup harus tertutup? Buktikan atau berikan contoh penyangkal.

Fungsi f:V(,]f:V\rightarrow(-\infty,\infty] disebut semikontinu bawah (lower semicontinuous, lsc) jika untuk setiap barisan xnxx_n\rightarrow x di VV berlaku f(x)liminfnf(xn).\begin{equation} f(x)\leq\liminf_{n\rightarrow\infty}f(x_n). \end{equation}

Fungsi f:V(,]f:V\rightarrow(-\infty,\infty] tertutup jika dan hanya jika semikontinu bawah.

Proof. \Rightarrow: andaikan ff tertutup, xnxx_n\rightarrow x, dan tuliskan L=liminfnf(xn)L=\liminf_n f(x_n). Jika L=+L=+\infty, ketaksamaan yang diinginkan langsung berlaku. Jika LL\in\mathbb{R}, ambil subbarisan n(k)n(k) dengan L=liminfnf(xn)=limkf(xn(k)).\begin{equation} L=\liminf_n f(x_n)=\lim_k f(x_{n(k)}). \end{equation} Untuk kk cukup besar nilainya hingga, sehingga (xn(k),f(xn(k)))epi(f)(x_{n(k)},f(x_{n(k)}))\in\operatorname{epi}(f) dan (xn(k),f(xn(k)))(x,L).\begin{equation} (x_{n(k)},f(x_{n(k)}))\longrightarrow(x,L). \end{equation} Ketertutupan epigraf memberikan (x,L)epi(f)(x,L)\in\operatorname{epi}(f), jadi f(x)Lf(x)\leq L. Terakhir, L=L=-\infty tidak mungkin: untuk setiap MM\in\mathbb{R} kita dapat memilih subbarisan dengan f(xn(k))Mf(x_{n(k)})\leq M; maka (xn(k),M)epi(f)(x_{n(k)},M)\in\operatorname{epi}(f) dan ketertutupan akan memberikan f(x)Mf(x)\leq M untuk setiap MM, bertentangan dengan kodomain (,+](-\infty,+\infty].

\Leftarrow: sekarang andaikan ff semikontinu bawah dan (xn,tn)nepi(f)(x_n,t_n)_n\subset\operatorname{epi}(f) dengan (xn,tn)(x,t)(x_n,t_n)\rightarrow(x,t) dalam V×V\times\mathbb{R}. Khususnya, xnxx_n\rightarrow x. Oleh semikontinuitas bawah, f(x)liminfnf(xn)liminfntn=limntn=t.\begin{equation} f(x)\leq\liminf_n f(x_n) \leq\liminf_n t_n=\lim_n t_n=t. \end{equation} Jadi (x,t)epi(f)(x,t)\in\operatorname{epi}(f), yang membuktikan bahwa epigrafnya tertutup. ◻

Jika pembatasan ff pada dom(f)\operatorname{dom}(f) kontinu dan dom(f)\operatorname{dom}(f) tertutup, maka ff tertutup.

Proof. Latihan. ◻

Deskripsi figur nonraster. Kegagalan semikontinuitas bawah dapat menyebabkan infimum tidak tercapai.

Deskripsi gambar. Kedua panel menampilkan fungsi sepotong-sepotong yang mempunyai lompatan di x=0x=0. Pada panel kiri, cabang kanan mendekati titik kosong (0,0)(0,0) sementara nilai fungsi di x=0x=0 adalah titik penuh (0,1)(0,1); infimum 00 tidak tercapai. Pada panel kanan, titik (0,0)(0,0) diisi dan titik (0,1)(0,1) dibiarkan kosong, sehingga nilai minimum 00 tercapai.

Fungsi f:V(,+]f:V\rightarrow(-\infty,+\infty] disebut koersif jika limxf(x)=.\begin{equation} \lim_{\|x\|\rightarrow\infty}f(x)=\infty. \end{equation}

Misalkan VV berdimensi hingga dan f:V(,]f:V\rightarrow(-\infty,\infty] proper, koersif, serta semikontinu bawah. Maka ff mencapai minimumnya pada VV.4

Proof. Bukti mengikuti apa yang disebut metode langsung.

Langkah 1: Ambil barisan peminimum.

Misalkan (xn)n(x_n)_n suatu barisan peminimum5, yaitu limnf(xn)=infxVf(x).\begin{equation} \lim_n f(x_n)=\inf_{x\in V}f(x). \end{equation}

Langkah 2: Tunjukkan keterbatasan barisan.

Karena ff koersif, barisan peminimum harus terbatas. Jika tidak, terdapat subbarisan (xn(k))k(x_{n(k)})_k dengan xn(k)\|x_{n(k)}\|\rightarrow\infty. Koersivitas kemudian memberikan f(xn(k)),\begin{equation} f(x_{n(k)})\rightarrow\infty, \end{equation} yang bertentangan dengan f(xn(k))inff<.\begin{equation} f(x_{n(k)})\rightarrow\inf f<\infty. \end{equation}

Langkah 3: Gunakan kekompakan untuk mengambil subbarisan konvergen.

Berdasarkan [thm:bolzano], setiap barisan terbatas dalam ruang vektor berdimensi hingga mempunyai subbarisan konvergen. Jadi kita dapat mengambil subbarisan (xn(k))k(x_{n(k)})_k dengan limit limkxn(k)=x̂\lim_kx_{n(k)}=\hat x.

Langkah 4: Simpulkan dengan semikontinuitas bawah.

Berdasarkan semikontinuitas bawah ff, f(x̂)liminfkf(xn(k))=limnf(xn)=infxf(x)f(x̂).\begin{equation} f(\hat x) \leq\liminf_{k\rightarrow\infty}f(x_{n(k)}) =\lim_n f(x_n) =\inf_x f(x) \leq f(\hat x). \end{equation} Jadi semua ketaksamaan merupakan kesamaan dan x̂\hat x adalah peminim. ◻

Kekonveksan

Tujuan kita dalam kuliah ini adalah menyelesaikan masalah berbentuk minxCf(x),\begin{equation} \min_{x\in C} f(x), \end{equation} dengan CVC\subset V suatu himpunan bagian konveks dari ruang VV dan f:C(,]f:C\rightarrow (-\infty,\infty] suatu fungsi konveks. Oleh karena itu, pada bagian berikut kita menganalisis secara lebih terperinci arti tepat kekonveksan himpunan dan fungsi serta akibat yang dapat ditarik dari sifat-sifat tersebut.

Himpunan konveks

Suatu himpunan disebut konveks apabila, untuk setiap dua titik di dalamnya, seluruh ruas garis lurus yang menghubungkan kedua titik itu juga termuat di dalam himpunan tersebut. Secara lebih formal:

Suatu himpunan CVC\subset V disebut konveks jika dan hanya jika, untuk setiap x,yCx,y\in C dan λ(0,1)\lambda\in (0,1), berlaku λx+(1λ)yC.\begin{equation} \lambda x + (1-\lambda) y\in C. \end{equation}

Perhatikan bahwa λx+(1λ)y=y+λ(xy),\begin{equation} \lambda x + (1-\lambda) y = y + \lambda(x-y), \end{equation} yang memperlihatkan dengan lebih jelas bahwa λx+(1λ)y\lambda x + (1-\lambda)y menelusuri ruas garis yang menghubungkan xx dan yy.

Lebih lanjut, dengan menggunakan kombinasi konveks yang lebih umum, kita dapat dengan mudah menunjukkan hasil berikut.

Himpunan CVC\subset V konveks jika dan hanya jika, untuk setiap nn\in \mathbb{N}, xiCx_i\in C, dan λi[0,1]\lambda_i\in [0,1], i=1,,ni=1,\dots,n, yang memenuhi i=1nλi=1\sum_{i=1}^n\lambda_i=1, berlaku i=1nλixiC.\begin{equation} \sum_{i=1}^n\lambda_i x_i \in C. \end{equation}

Proof. Latihan. ◻

Untuk memudahkan notasi, kita mendefinisikan simpleks satuan sebagai Δk={(λ1,,λk)[0,1]k|i=1kλi=1}.\begin{equation} % Koreksi H02-C001 (sumber baris 37): batas penjumlahan n diganti k agar sesuai dengan Delta^k dan k komponen lambda. \Delta^k = \{(\lambda_1,\dots,\lambda_k)\in [0,1]^k\;|\;\sum_{i=1}^k\lambda_i = 1\}. \end{equation} Sekarang kita dapat mendefinisikan himpunan konveks terkecil yang memuat suatu himpunan, yaitu selubung konveks.

Misalkan CVC\subset V. Selubung konveks dari CC didefinisikan sebagai himpunan conv(C)SV konveksCSS.\begin{equation} \label{eq:convex_sets:defin_conv_hull} \operatorname{conv}(C) \coloneqq \bigcap_{\substack{S\subset V \text{ konveks}\\C\subset S}}S. \end{equation}

Berlaku conv(C)={i=1nλixi|n,xiC,(λ1,,λn)Δn}.\begin{equation} \label{eq:convex_sets:conv_hull} % Koreksi H02-C028: vektor bobot ditulis lengkap, bukan skalar lambda. \operatorname{conv}(C) = \bigg\{ \sum_{i=1}^n\lambda_i x_i\;|\; n\in \mathbb{N},\;x_i\in C, \; (\lambda_1,\ldots,\lambda_n)\in \Delta^n\bigg\}. \end{equation}

Proof. Nyatakan ruas kanan [eq:convex_sets:conv_hull] dengan AA. Kita akan menunjukkan bahwa conv(C)A\operatorname{conv}(C)\subset A dan Aconv(C)A\subset\operatorname{conv}(C).

Aconv(C)A\subset\operatorname{conv}(C): Misalkan x=i=1nλixiAx=\sum_{i=1}^n\lambda_i x_i\in A. Untuk setiap SVS\subset V yang konveks dan memenuhi CSC\subset S, berlaku xSx\in S. Oleh karena itu, berdasarkan definisi pada [eq:convex_sets:defin_conv_hull], diperoleh xconv(C)x\in\operatorname{conv}(C).

conv(C)A\operatorname{conv}(C)\subset A: Dapat diperiksa langsung bahwa AA memang merupakan himpunan konveks. Selain itu, CAC\subset A. Dengan demikian, AA termasuk salah satu himpunan SS dalam [eq:convex_sets:defin_conv_hull], sehingga conv(C)A\operatorname{conv}(C)\subset A. ◻

Baris atas menampilkan beberapa himpunan konveks yang memuat seluruh ruas garis di antara tiap dua titiknya.

Deskripsi rinci: Baris atas menampilkan beberapa himpunan konveks yang memuat seluruh ruas garis di antara tiap dua titiknya. Baris bawah menampilkan himpunan tak konveks dengan lekukan atau komponen terpisah.

Baris atas: himpunan konveks. Baris bawah: himpunan tak konveks.

Deskripsi gambar. Baris atas memperlihatkan beberapa daerah yang memuat seluruh ruas garis di antara setiap dua titik di dalamnya. Baris bawah memperlihatkan daerah yang memiliki lekukan atau bagian terpisah sehingga terdapat dua titik di dalam himpunan yang ruas penghubungnya keluar dari himpunan.

Himpunan-himpunan berikut bersifat konveks (buktinya ditinggalkan sebagai latihan):

  • Himpunan kosong \emptyset.

  • Setiap ruang vektor.

  • Setiap bola norma; yaitu, untuk setiap norma \|\,\cdot\,\|, setiap cVc\in V, dan setiap R0R\geq 0, himpunan B,R(c)={xV|xc<R}\begin{equation} % Koreksi H02-C002 (sumber baris 80--82): tanda sama dengan yang hilang ditambahkan. B_{\|\,\cdot\,\|,R}(c)=\{x\in V\;|\; \|x-c\|<R\} \end{equation} dan B¯,R(c)={xV|xcR}.\begin{equation} % Koreksi H02-C003 (sumber baris 84--86): tanda sama dengan yang hilang ditambahkan. \overline{B}_{\|\,\cdot\,\|,R}(c)=\{x\in V\;|\; \|x-c\|\leq R\}. \end{equation}

  • Setiap subruang afin; yaitu, untuk setiap vektor z,x1,,xkVz,x_1,\dots,x_k\in V, himpunan {xV|x=z+i=1kλixi,λi}.\begin{equation} \bigg\{ x\in V\;|\; x = z + \sum_{i=1}^k\lambda_i x_i,\; \lambda_i\in \mathbb{R}\bigg\}. \end{equation}

Bola satuan dua dimensi untuk beberapa nilai p: bentuk berubah dari belah ketupat melalui lingkaran menuju persegi; kasus p sama dengan satu per dua melengkung ke dalam dan tidak konveks.

Deskripsi rinci: Bola satuan dua dimensi untuk beberapa nilai p: bentuk berubah dari belah ketupat melalui lingkaran menuju persegi; kasus p sama dengan satu per dua melengkung ke dalam dan tidak konveks.

Bola norma B¯p,R(0)\overline{B}_{\|\,\cdot\,\|_p,R}(0) untuk beberapa norma p\ell^p. Perhatikan bahwa himpunan untuk p=1/2p=1/2 tidak konveks karena pilihan ini tidak menghasilkan norma: ketaksamaan segitiga tidak berlaku.

Deskripsi gambar. Gambar membandingkan bola satuan dua dimensi untuk beberapa nilai pp. Bentuknya berubah dari belah ketupat melalui lingkaran menuju bentuk yang semakin menyerupai persegi ketika pp bertambah; untuk p=1/2p=1/2, sisi-sisinya melengkung ke dalam sehingga himpunannya tidak konveks.

Pernyataan-pernyataan berikut berlaku:

  1. Irisan. Misalkan CiVC_i\subset V konveks untuk iIi\in I, dengan II suatu himpunan indeks sembarang. Maka irisan iICi{xV|xCiiI}\begin{equation} \bigcap_{i\in I} C_i \coloneqq \{x\in V\;|\; x\in C_i\; \forall i\in I\} \end{equation} bersifat konveks.

  2. Jumlah berbobot. Misalkan CiVC_i\subset V konveks untuk i=1,,Ni=1,\dots,N, dan misalkan λi\lambda_i\in\mathbb{R} untuk i=1,,Ni=1,\dots,N. Maka himpunan i=1NλiCi{i=1Nλixi|xiCii=1,,N}\begin{equation} % Koreksi H02-C004 (sumber baris 108--110): n dan indeks I yang tidak didefinisikan diseragamkan menjadi N dan i=1,...,N. \sum_{i=1}^N \lambda_i C_i \coloneqq \bigg\{\sum_{i=1}^N \lambda_i x_i\;|\; x_i\in C_i\; \forall i=1,\dots,N\bigg\} \end{equation} bersifat konveks.

  3. Produk Kartesius. Misalkan CiVC_i\subset V konveks untuk iIi\in I, dengan II suatu himpunan indeks sembarang. Maka produk Kartesius iICi{(xi)iI|xiCiiI}\begin{equation} % Koreksi H02-C029: produk Kartesius memakai simbol produk, bukan produk tensor. \prod_{i\in I} C_i \coloneqq \{(x_i)_{i\in I}\;|\; x_i\in C_i\; \forall i\in I\} \end{equation} bersifat konveks.

  4. Citra dan pracitra6 di bawah pemetaan linear bersifat konveks. Secara khusus, untuk A:VWA:V\rightarrow W linear serta SVS\subset V dan TWT\subset W keduanya konveks, himpunan-himpunan berikut bersifat konveks: A(S)={Ax|xS},A1(T)={xV|AxT}.\begin{equation} % Koreksi H02-C005 (sumber baris 120--122): pracitra diberi argumen T dan variabel himpunannya diperbaiki dari y menjadi x. A(S)=\{Ax\;|\;x\in S\},\qquad A^{-1}(T)=\{x\in V\;|\;Ax\in T\}. \end{equation}

Proof. Kita hanya membuktikan bagian pertama dan meninggalkan sisanya sebagai latihan. Buktinya langsung. Misalkan x,yiICix,y\in\bigcap_{i\in I}C_i dan λ(0,1)\lambda\in(0,1). Karena x,yCix,y\in C_i untuk setiap ii dan setiap CiC_i konveks, diperoleh λx+(1λ)yCi\lambda x+(1-\lambda)y\in C_i untuk setiap ii. Dengan demikian, λx+(1λ)yiICi\lambda x+(1-\lambda)y\in\bigcap_{i\in I}C_i. ◻

Kita hendak mendefinisikan secara formal pengertian hiperbidang, yaitu perumuman bidang dua dimensi di 3\mathbb{R}^3 ke dimensi sembarang.

Misalkan VV suatu ruang hasil kali dalam. Hiperbidang adalah himpunan HH berbentuk H={xV|x,a=b}\begin{equation} H=\{x\in V\;|\;\left\langle x,a\right\rangle=b\} \end{equation} untuk suatu aV\{0}a\in V\setminus\{0\} dan bb\in\mathbb{R}.

Parameter aa menentukan orientasi bidang dan bb menentukan geserannya. Secara khusus, 0H0\in H jika dan hanya jika b=0b=0; dalam kasus ini HH merupakan subruang. Jika b0b\neq0, HH hanya merupakan subruang afin.

Perhatikan bahwa jika x0Hx_0\in H, maka H={xV|xx0,a=0}.\begin{equation} H=\{x\in V\;|\;\left\langle x-x_0,a\right\rangle=0\}. \end{equation} Jadi, aa adalah vektor normal terhadap bidang tersebut. Selain itu, dapat diperiksa sebagai latihan bahwa |b|a\frac{|b|}{\|a\|} adalah jarak bidang dari titik asal.

Setiap hiperbidang membagi ruang menjadi dua setengah ruang.

Misalkan VV suatu ruang hasil kali dalam. Setengah ruang adalah himpunan HH^- berbentuk H={xV|x,ab}\begin{equation} H^-=\{x\in V\;|\;\left\langle x,a\right\rangle\leq b\} \end{equation} untuk suatu aV\{0}a\in V\setminus\{0\} dan bb\in\mathbb{R}.

Teorema berikut menyatakan bahwa pemisahan tersebut dapat dipilih dengan cara tertentu. Hasil ini ternyata sangat penting dalam optimisasi dan analisis fungsional.

Misalkan S,TS,T dua himpunan bagian konveks yang tak kosong dan saling lepas dari suatu ruang bernorma real VV, dan misalkan SS terbuka. Maka terdapat aV*a\in V^* yang kontinu dan tak nol serta α\alpha\in\mathbb{R} sedemikian sehingga a,x<αa,y,xS,yT.\begin{equation} \langle a,x\rangle<\alpha\leq\langle a,y\rangle,\qquad x\in S,\;y\in T. \end{equation} Jika SS dan TT keduanya tertutup dan salah satunya kompak, maka terdapat aV*a\in V^* yang kontinu dan tak nol, α\alpha\in\mathbb{R}, dan ϵ>0\epsilon>0 sedemikian sehingga a,xα<α+ϵa,y,xS,yT.\begin{equation} \langle a,x\rangle\leq\alpha<\alpha+\epsilon\leq\langle a,y\rangle,\qquad x\in S,\;y\in T. \end{equation}

Versi kedua memungkinkan kita memperoleh selisih positif tegas antara supxSa,xdaninfyTa,y.\sup_{x\in S}\langle a,x\rangle \quad \text{dan} \quad \inf_{y\in T}\langle a,y\rangle.

Deskripsi figur nonraster. Ilustrasi teorema pemisahan Hahn–Banach dan alasan pemisahan dapat gagal tanpa kekonveksan.

Deskripsi gambar. Panel kiri menampilkan dua himpunan konveks tak beririsan yang dipisahkan oleh sebuah garis putus-putus. Panel kanan menampilkan salah satu himpunan yang tak konveks dan melingkupi sebagian himpunan lainnya, sehingga tidak ada satu garis lurus yang dapat memisahkan keduanya.

Fungsi konveks

Seperti diperlihatkan pada 2.1, kekonveksan sangat memengaruhi pertanyaan tentang keberadaan dan ketunggalan minimum.

Perbandingan grafik satu dimensi: fungsi konveks berbentuk mangkuk dengan minimum teratur dan fungsi tak konveks dengan beberapa lekukan serta minimum lokal.

Deskripsi rinci: Perbandingan grafik satu dimensi: fungsi konveks berbentuk mangkuk dengan minimum teratur dan fungsi tak konveks dengan beberapa lekukan serta minimum lokal.

Contoh fungsi konveks dan fungsi tak konveks dalam satu dimensi.

Deskripsi gambar. Gambar membandingkan grafik satu dimensi berbentuk mangkuk, yang konveks dan memiliki struktur minimum yang teratur, dengan grafik tak konveks yang memiliki lekukan serta beberapa minimum lokal.

Misalkan CVC\subset V konveks dan f:C(,]f:C\rightarrow(-\infty,\infty].

  • Fungsi ff disebut konveks jika dan hanya jika, untuk setiap x,yCx,y\in C dan λ(0,1)\lambda\in(0,1), berlaku f(λx+(1λ)y)λf(x)+(1λ)f(y).\begin{equation} f(\lambda x+(1-\lambda)y)\leq\lambda f(x)+(1-\lambda)f(y). \end{equation}

  • Fungsi ff disebut konveks tegas jika dan hanya jika, untuk setiap x,ydom(f)x,y\in\operatorname{dom}(f) dengan xyx\neq y dan setiap λ(0,1)\lambda\in(0,1), berlaku f(λx+(1λ)y)<λf(x)+(1λ)f(y).\begin{equation} % Koreksi H02-C007 (sumber baris 210--213): syarat x tidak sama dengan y ditambahkan; tanpa syarat ini ketaksamaan tegas mustahil saat x=y. f(\lambda x+(1-\lambda)y)<\lambda f(x)+(1-\lambda)f(y). \end{equation}

  • Fungsi ff disebut konveks kuat dengan parameter μ>0\mu>0 jika dan hanya jika, untuk setiap x,ydom(f)x,y\in\operatorname{dom}(f) dan λ(0,1)\lambda\in(0,1), berlaku f(λx+(1λ)y)λf(x)+(1λ)f(y)λ(1λ)μ2xy2.\begin{equation} f(\lambda x+(1-\lambda)y)\leq\lambda f(x)+(1-\lambda)f(y)-\frac{\lambda(1-\lambda)\mu}{2}\|x-y\|^2. \end{equation}

Syarat orde nol menyatakan bahwa ruas garis yang menghubungkan dua titik pada grafik, yaitu garis sekan, selalu berada di atas fungsi. Untuk fungsi konveks tegas, garis sekan berada secara tegas di atas fungsi, sedangkan dalam kasus konveks kuat kita bahkan dapat menyisipkan fungsi kuadrat di antara keduanya.

Deskripsi figur nonraster. Penafsiran geometris syarat orde nol bagi kekonveksan suatu fungsi.

Deskripsi gambar. Sebuah kurva konveks biru ditampilkan bersama dua titik pada grafik dan ruas sekan yang menghubungkannya. Nilai fungsi pada kombinasi konveks kedua titik berada di bawah nilai yang diperoleh melalui interpolasi linear di sepanjang sekan.

Fungsi-fungsi berikut konveks (bukti: latihan):

  1. Fungsi afin f(x)=a,x+bf(x)=\langle a,x\rangle+b dengan aV*a\in V^* dan bb\in\mathbb{R}; khususnya, fungsi linear ketika b=0b=0.

  2. Semua norma merupakan fungsi konveks.

Serupa dengan hasil untuk himpunan konveks, kekonveksan dapat diperluas ke kombinasi konveks dengan banyak titik yang sembarang.

Misalkan CVC\subset V konveks dan f:C(,+]f:C\rightarrow(-\infty,+\infty]. Dengan konvensi 0(+)=00\cdot(+\infty)=0, fungsi ff konveks jika dan hanya jika, untuk setiap kk\in\mathbb{N}, λΔk\lambda\in\Delta^k, dan xiCx_i\in C, berlaku f(i=1kλixi)i=1kλif(xi).\begin{equation} f\bigg(\sum_{i=1}^k\lambda_i x_i\bigg)\leq\sum_{i=1}^k\lambda_i f(x_i). \end{equation}

Di atas kita melihat bahwa kekonveksan berarti garis sekan berada di atas fungsi. Kekonveksan juga berarti garis singgung berada di bawah fungsi (bandingkan [convexity:fig:gradients]).

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks dan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} mempunyai perluasan yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu lingkungan terbuka dari CC.

  • Fungsi ff konveks jika dan hanya jika, untuk semua x,yCx,y\in C, f(x)+f(x),yxf(y).f(x)+\langle\nabla f(x),y-x\rangle\leq f(y).

  • Fungsi ff konveks tegas jika dan hanya jika ketaksamaan di atas berlaku tegas untuk semua xyx\neq y.

Proof. Kita terlebih dahulu membuktikan butir pertama.

\Rightarrow: Misalkan ff konveks. Maka f(x+λ(yx))=f(λy+(1λ)x)λf(y)+(1λ)f(x).\begin{equation} f(x+\lambda(y-x))=f(\lambda y+(1-\lambda)x)\leq\lambda f(y)+(1-\lambda)f(x). \end{equation} Dengan menyusun ulang, diperoleh f(x+λ(yx))f(x)λf(y)f(x).\begin{equation} \frac{f(x+\lambda(y-x))-f(x)}{\lambda}\leq f(y)-f(x). \end{equation} Membiarkan λ0\lambda\rightarrow0 memberikan hasil yang diinginkan.

\Leftarrow: Sekarang andaikan syarat gradien berlaku. Tuliskan xλ=x+λ(yx)x_\lambda=x+\lambda(y-x). Maka f(xλ)+f(xλ),yxλ=f(xλ)+f(xλ),(1λ)(yx)f(y)\begin{equation*} f(x_\lambda)+\langle\nabla f(x_\lambda),y-x_\lambda\rangle =f(x_\lambda)+\langle\nabla f(x_\lambda),(1-\lambda)(y-x)\rangle\leq f(y) \end{equation*} dan f(xλ)+f(xλ),xxλ=f(xλ)+f(xλ),λ(yx)f(x).\begin{equation*} f(x_\lambda)+\langle\nabla f(x_\lambda),x-x_\lambda\rangle =f(x_\lambda)+\langle\nabla f(x_\lambda),-\lambda(y-x)\rangle\leq f(x). \end{equation*} Kalikan ketaksamaan pertama dengan λ\lambda, ketaksamaan kedua dengan 1λ1-\lambda, lalu jumlahkan. Hasilnya f(xλ)λf(y)+(1λ)f(x).\begin{equation*} f(x_\lambda)\leq\lambda f(y)+(1-\lambda)f(x). \end{equation*}

Untuk butir kedua, arah dari syarat orde pertama tegas menuju kekonveksan tegas langsung mengikuti argumen yang sama. Sebaliknya, jika ff konveks tegas dan xyx\neq y, fungsi satu variabel g(t)=f(x+t(yx))g(t)=f(x+t(y-x)) konveks tegas pada [0,1][0,1]. Kemiringan sekan (g(t)g(0))/t(g(t)-g(0))/t tak menurun dalam t>0t>0 dan, untuk setiap t0(0,1)t_0\in(0,1), bernilai tegas lebih kecil daripada g(1)g(0)g(1)-g(0). Mengambil limit t0t\downarrow0 memberikan f(x),yx<f(y)f(x)\langle\nabla f(x),y-x\rangle< f(y)-f(x). ◻

Deskripsi figur nonraster. Penafsiran geometris syarat orde pertama bagi fungsi konveks.

Deskripsi gambar. Grafik sebuah fungsi konveks ditampilkan bersama garis singgungnya pada titik xx. Garis afin yf(x)+f(x),yxy\mapsto f(x)+\langle\nabla f(x),y-x\rangle berada di bawah grafik fungsi di seluruh domain yang diperlihatkan.

Misalkan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} dan x*Cx^*\in C.

  • Titik x*x^* disebut minimum lokal jika dan hanya jika terdapat ϵ>0\epsilon>0 sedemikian sehingga f(x*)f(x),xBϵ(x*)C.% Koreksi H02-C009 (sumber baris 328--330): pembanding dibatasi pada domain C. f(x^*)\leq f(x),\qquad \forall x\in B_\epsilon(x^*)\cap C.

  • Titik x*x^* disebut minimum global jika dan hanya jika f(x*)f(x),xC.f(x^*)\leq f(x),\qquad \forall x\in C.

Minimum disebut tegas apabila ketaksamaan yang bersesuaian berlaku tegas untuk semua titik pembanding xx*x\neq x^*.

Sekarang kita dapat membuktikan hasil penting pertama dalam optimisasi konveks.

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks, f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} konveks dan mempunyai perluasan yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu lingkungan terbuka dari CC, serta x*Cx^*\in C. Jika f(x*)=0\nabla f(x^*)=0, maka x*x^* adalah peminimum global.

Proof. Berdasarkan karakterisasi orde pertama kekonveksan, f(x)f(x*)+f(x*),xx*=f(x*)+0.\begin{equation} f(x)\geq f(x^*)+\langle\nabla f(x^*),x-x^*\rangle =f(x^*)+0. \end{equation} ◻

Perhatikan bahwa kebalikan [convexity:prop:OC1], yaitu implikasi x* adalah minimumf(x*)=0,\begin{equation} \text{$x^*$ adalah minimum}\Rightarrow\nabla f(x^*)=0, \end{equation} secara umum hanya benar apabila x*x^* berada di interior CC, yang dinyatakan dengan CC^\circ; yaitu, terdapat ϵ>0\epsilon>0 sedemikian sehingga Bϵ(x*)CB_\epsilon(x^*)\subset C.

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks, f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} konveks dan mempunyai perluasan yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu lingkungan terbuka dari CC, serta x*Cx^*\in C^\circ. Maka f(x*)=0\nabla f(x^*)=0 jika dan hanya jika x*x^* adalah peminimum global.

Proof. Satu arah mengikuti [convexity:prop:OC1]. Untuk arah lainnya, andaikan x*x^* suatu minimum. Untuk setiap vdv\in\mathbb{R}^d, jika t>0t>0 cukup kecil, optimalitas memberikan f(x*+tv)f(x*)0.\begin{equation} f(x^*+tv)-f(x^*)\geq0. \end{equation} Karena t>0t>0, pembagian dengan tt menghasilkan f(x*+tv)f(x*)t0.\begin{equation} \frac{f(x^*+tv)-f(x^*)}{t}\geq0. \end{equation} Dengan membiarkan t0t\rightarrow0, diperoleh f(x*),v0.\begin{equation} \langle\nabla f(x^*),v\rangle\geq0. \end{equation} Karena vv sembarang, argumen yang sama dapat diterapkan pada v-v. Hasilnya f(x*),v0.\langle\nabla f(x^*),v\rangle\leq0.

Jadi f(x*),v=0\langle\nabla f(x^*),v\rangle=0 untuk setiap vv, dan karenanya f(x*)=0\nabla f(x^*)=0 (mengapa?). ◻

Dalam satu dimensi, jika suatu fungsi terdiferensialkan, kekonveksannya dapat dikarakterisasi melalui kemonotonan turunannya. Dalam dimensi sembarang berlaku hasil berikut.

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks dan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} mempunyai perluasan yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu lingkungan terbuka dari CC. Maka ff konveks jika dan hanya jika, untuk setiap x,yCx,y\in C, f(x)f(y),xy0.\begin{equation} \langle\nabla f(x)-\nabla f(y),x-y\rangle\geq0. \end{equation}

Proof. \Rightarrow: Andaikan ff konveks. Berdasarkan karakterisasi orde pertama kekonveksan, f(x)+f(x),yxf(y),f(y)+f(y),xyf(x).\begin{equation} \begin{aligned} &f(x)+\langle\nabla f(x),y-x\rangle\leq f(y),\\ &f(y)+\langle\nabla f(y),x-y\rangle\leq f(x). \end{aligned} \end{equation} Menjumlahkan kedua ketaksamaan memberikan hasil yang diinginkan.

\Leftarrow: Andaikan f\nabla f monoton. Berdasarkan teorema dasar kalkulus, f(y)f(x)=01ddtf(x+t(yx))dt=01f(x+t(yx)),yxdt=01f(x+t(yx))f(x),yxdt+f(x),yx=011tf(x+t(yx))f(x),t(yx)0dt+f(x),yxf(x),yx.\begin{equation} \begin{aligned} f(y)-f(x) &=\int_0^1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}f(x+t(y-x))\mathrm{d}t\\ &=\int_0^1\langle\nabla f(x+t(y-x)),y-x\rangle\mathrm{d}t\\ &=\int_0^1\langle\nabla f(x+t(y-x))-\nabla f(x),y-x\rangle\mathrm{d}t+\langle\nabla f(x),y-x\rangle\\ &=\int_0^1\frac{1}{t}\underbrace{\langle\nabla f(x+t(y-x))-\nabla f(x),t(y-x)\rangle}_{\geq0}\mathrm{d}t+\langle\nabla f(x),y-x\rangle\\ &\geq\langle\nabla f(x),y-x\rangle. \end{aligned} \end{equation} Pada t=0t=0, integran dipahami melalui perpanjangan kontinu; ketaksamaan monoton digunakan untuk t(0,1]t\in(0,1]. ◻

Terakhir, turunan kedua juga dapat digunakan untuk mengarakterisasi kekonveksan. Secara intuitif, kekonveksan berarti kelengkungan positif. Untuk memformalkan hal ini, ingat kembali cara mengurutkan matriks. Untuk dua matriks simetris A,Bd×dA,B\in\mathbb{R}^{d\times d}, kita menuliskan ABx,Axx,Bx,xd\begin{equation} A\succeq B\Longleftrightarrow\langle x,Ax\rangle\geq\langle x,Bx\rangle,\quad\forall x\in\mathbb{R}^d \end{equation} dan, serupa dengan itu, ABx,Ax>x,Bx,xd\{0}.\begin{equation} % Koreksi H02-C013 (sumber baris 411--413): x=0 dikecualikan dari urutan positif tegas. A\succ B\Longleftrightarrow\langle x,Ax\rangle>\langle x,Bx\rangle,\quad\forall x\in\mathbb{R}^d\setminus\{0\}. \end{equation}

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d terbuka dan konveks, serta f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} terdiferensialkan secara kontinu dua kali.

  1. Fungsi ff konveks jika dan hanya jika 2f(x)0\nabla^2f(x)\succeq0 untuk setiap xCx\in C.

  2. Jika 2f(x)0\nabla^2f(x)\succ0 untuk setiap xCx\in C, maka ff konveks tegas.

Proof. Kita membuktikan pernyataan pertama dan arah cukup pada pernyataan kedua.

\Rightarrow: Andaikan ff konveks. Berdasarkan kemonotonan gradien, untuk t>0t>0 berlaku f(x+tv)f(x),vt0.\begin{equation} \frac{\left\langle \nabla f(x+tv)-\nabla f(x),v\right\rangle}{t}\geq0. \end{equation} Dengan membiarkan t0t\rightarrow0, diperoleh v,2f(x)v0.\begin{equation} \langle v,\nabla^2f(x)v\rangle\geq0. \end{equation} Karena vv sembarang, hasilnya mengikuti.

\Leftarrow: Andaikan 2f0\nabla^2f\succeq0. Berdasarkan teorema dasar kalkulus, f(y)f(x)=01ddtf(x+t(yx))dt=012f(x+t(yx))(yx)dt.\begin{equation} \begin{aligned} \nabla f(y)-\nabla f(x) &=\int_0^1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\nabla f(x+t(y-x))\mathrm{d}t\\ &=\int_0^1\nabla^2f(x+t(y-x))(y-x)\mathrm{d}t. \end{aligned} \end{equation} Mengambil hasil kali dalam dengan yxy-x menghasilkan f(y)f(x),yx=01yx,2f(x+t(yx))(yx)0dt0.\begin{equation} \begin{aligned} % Koreksi H02-C015 (sumber baris 444--449): integran vektor yang salah pada ruas kanan diganti dengan bentuk kuadratik skalar. \langle\nabla f(y)-\nabla f(x),y-x\rangle &=\int_0^1\underbrace{\langle y-x,\nabla^2f(x+t(y-x))(y-x)\rangle}_{\geq0}\mathrm{d}t\\ &\geq0. \end{aligned} \end{equation} Kemonotonan gradien kini menyiratkan kekonveksan. Untuk membuktikan bagian tegas, tuliskan d=yx0d=y-x\neq0. Jika Hessian positif definit pada setiap titik, maka f(y)f(x)f(x),d=010td,2f(x+sd)ddsdt>0.f(y)-f(x)-\langle\nabla f(x),d\rangle =\int_0^1\int_0^t \langle d,\nabla^2f(x+sd)d\rangle\,\mathrm{d}s\,\mathrm{d}t>0. Jadi ketaksamaan orde pertama berlaku tegas dan ff konveks tegas. ◻

Misalkan f,f1,,fn:Cf,f_1,\dots,f_n:C\rightarrow\mathbb{R} konveks pada suatu himpunan konveks.

  1. Untuk setiap α0\alpha\geq0, fungsi αf\alpha f konveks.

  2. Fungsi ifi\sum_i f_i konveks.

Proof. Latihan. ◻

Misalkan f:nCf:\mathbb{R}^n\supset C\rightarrow\mathbb{R} konveks, An×mA\in\mathbb{R}^{n\times m}, dan bnb\in\mathbb{R}^n. Maka g(x)=f(Ax+b)\begin{equation} g(x)=f(Ax+b) \end{equation} konveks pada {xm|Ax+bC}\{x\in\mathbb{R}^m\;|\;Ax+b\in C\}.

Proof. Latihan. ◻

Misalkan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R} konveks dan g:Ig:I\rightarrow\mathbb{R} konveks serta tak menurun, dengan II\subset\mathbb{R} suatu interval yang memenuhi f(C)If(C)\subset I. Maka gfg\circ f konveks.

Proof. Latihan. ◻

  1. Fungsi log-sum-exp bersifat konveks: f(x)=log(i=1nexi).\begin{equation} f(x)=\log\bigg(\sum_{i=1}^n e^{x_i}\bigg). \end{equation}

  2. Fungsi kuadratik-per-linear f(x)=x12x2\begin{equation} f(x)=\frac{x_1^2}{x_2} \end{equation} konveks pada ×(0,)\mathbb{R}\times(0,\infty).

  3. Fungsi h(x)=ex2h(x)=e^{\|x\|^2} konveks pada d\mathbb{R}^d karena f(x)=x2f(x)=\|x\|^2 konveks dan g(t)=etg(t)=e^t konveks serta tak menurun.

  4. Pertimbangkan h(x)=(x2+1)2h(x)=(\|x\|^2+1)^2 pada d\mathbb{R}^d. Fungsi f(x)=x2+1f(x)=\|x\|^2+1 dan g(t)=t2g(t)=t^2 keduanya konveks. Fungsi gg tidak tak menurun pada seluruh \mathbb{R}, tetapi tak menurun pada f(d)=[1,)f(\mathbb{R}^d)=[1,\infty). Akibatnya, hh konveks.

  5. Pada contoh sebelumnya, jika ff diganti dengan 21\|\,\cdot\,\|^2-1, maka gg tidak tak menurun pada f(d)=[1,)f(\mathbb{R}^d)=[-1,\infty); lihat [convexity:fig:compositions].

Deskripsi figur nonraster. Kekonveksan komposisi fungsi.

Deskripsi gambar. Panel kiri menampilkan f1(x)=x2+1f_1(x)=x^2+1 dan f2(x)=x21f_2(x)=x^2-1. Panel tengah menampilkan g(t)=t2g(t)=t^2 serta rentang kedua fungsi tersebut; gg tak menurun pada rentang f1f_1 tetapi tidak pada seluruh rentang f2f_2. Panel kanan memperlihatkan bahwa gf1g\circ f_1 konveks, sedangkan gf2g\circ f_2 memiliki lekukan tak konveks di sekitar titik asal.

Misalkan fi:Cf_i:C\rightarrow\mathbb{R}, i=1,,ni=1,\dots,n, konveks pada himpunan konveks CC. Maka f(x)=maxi=1,,nfi(x)\begin{equation} f(x)=\max_{i=1,\dots,n}f_i(x) \end{equation} konveks.

Proof. Kita hitung langsung: f(λx+(1λ)y)=maxifi(λx+(1λ)y)maxi{λfi(x)+(1λ)fi(y)}λmaxjfj(x)+(1λ)maxjfj(y)=λf(x)+(1λ)f(y).\begin{equation} \begin{aligned} f(\lambda x+(1-\lambda)y) &=\max_i f_i(\lambda x+(1-\lambda)y)\\ &\leq\max_i\{\lambda f_i(x)+(1-\lambda)f_i(y)\}\\ &\leq\lambda\max_jf_j(x)+(1-\lambda)\max_jf_j(y)\\ &=\lambda f(x)+(1-\lambda)f(y). \end{aligned} \end{equation} ◻

Misalkan f:C×Df:C\times D\rightarrow\mathbb{R} konveks pada C×DC\times D, dengan CC dan DD keduanya konveks. Definisikan g(x)=infyDf(x,y),\begin{equation} g(x)=\inf_{y\in D}f(x,y), \end{equation} dan andaikan infimum tersebut hingga untuk setiap xCx\in C. Maka gg konveks.

Proof. Pilih barisan ynxy_n^x dan ynzy_n^z sedemikian sehingga g(x)=limnf(x,ynx),g(z)=limnf(z,ynz).\begin{equation} g(x)=\lim_n f(x,y_n^x),\qquad g(z)=\lim_n f(z,y_n^z). \end{equation} Maka g(λx+(1λ)z)f(λx+(1λ)z,λynx+(1λ)ynz)λf(x,ynx)+(1λ)f(z,ynz).\begin{equation} \begin{aligned} g(\lambda x+(1-\lambda)z) &\leq f(\lambda x+(1-\lambda)z,\lambda y_n^x+(1-\lambda)y_n^z)\\ &\leq\lambda f(x,y_n^x)+(1-\lambda)f(z,y_n^z). \end{aligned} \end{equation} Mengambil limit ketika nn\rightarrow\infty menyelesaikan bukti. ◻

Jarak suatu titik ke himpunan tak kosong dan konveks merupakan fungsi konveks. Jadi, untuk setiap himpunan tak kosong dan konveks CdC\subset\mathbb{R}^d, pemetaan berikut konveks: xd(x,C)infyCxy.\begin{equation} \begin{aligned} x\mapsto d(x,C)\coloneqq\inf_{y\in C}\|x-y\|. \end{aligned} \end{equation}

Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks dan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R}. Maka ff konveks jika dan hanya jika, untuk setiap xCx\in C dan vdv\in\mathbb{R}^d, fungsi g:Ix,v,tg(t)=f(x+tv),\begin{equation} \begin{aligned} g:I_{x,v}&\rightarrow\mathbb{R},\\ t&\mapsto g(t)=f(x+tv), \end{aligned} \end{equation} konveks pada interval Ix,v{tx+tvC}I_{x,v}\coloneqq\{t\in\mathbb{R}\mid x+tv\in C\}.

Proof. \Leftarrow: Andaikan gg konveks untuk setiap xx dan vv. Misalkan x,yCx,y\in C dan λ(0,1)\lambda\in(0,1). Pertimbangkan g(t)=f(y+t(xy)).\begin{equation} g(t)=f(y+t(x-y)). \end{equation} Karena gg konveks pada interval yang memuat 00 dan 11, f(λx+(1λ)y)=g(λ)=g(λ1+(1λ)0)λg(1)+(1λ)g(0)=λf(x)+(1λ)f(y).\begin{equation} \begin{aligned} f(\lambda x+(1-\lambda)y) =g(\lambda) &=g(\lambda\cdot1+(1-\lambda)\cdot0)\\ &\leq\lambda g(1)+(1-\lambda)g(0)\\ &=\lambda f(x)+(1-\lambda)f(y). \end{aligned} \end{equation} Arah sebaliknya ditinggalkan sebagai latihan. ◻

  • Contoh pada \mathbb{R}:

    • Fungsi konveks:

      • Fungsi eksponensial f(x)=exp(ax)f(x)=\exp(ax) pada \mathbb{R}, dengan aa\in\mathbb{R}.

      • Fungsi pangkat f(x)=xpf(x)=x^p pada (0,)(0,\infty) untuk p1p\geq1 atau p0p\leq0.

      • Pangkat nilai mutlak f(x)=|x|pf(x)=|x|^p pada \mathbb{R} untuk p1p\geq1.

      • Entropi negatif f(x)=xlog(x)f(x)=x\log(x) pada (0,)(0,\infty).

    • Fungsi konkaf:

      • Fungsi pangkat f(x)=xpf(x)=x^p pada (0,)(0,\infty) untuk 0p10\leq p\leq1.

      • Logaritma f(x)=log(x)f(x)=\log(x) pada (0,)(0,\infty).

  • Contoh pada ruang Euklides berdimensi hingga:

    • Fungsi konveks:

      • Norma-pp, f(x)=xpf(x)=\|x\|_p.

      • Pangkat norma-pp, f(x)=xppf(x)=\|x\|_p^p, untuk 1p<1\leq p<\infty.

      • Kuadrat terkecil, f(x)=12Axb22f(x)=\frac12\|Ax-b\|_2^2, dengan Am×nA\in\mathbb{R}^{m\times n} dan bmb\in\mathbb{R}^m.

      • Maksimum fungsi-fungsi afin: f(x)=max{a1,x+b1,,am,x+bm},f(x)=\max\{\left\langle a_1,x\right\rangle+b_1,\ldots,\left\langle a_m,x\right\rangle+b_m\}, dengan aina_i\in\mathbb{R}^n dan bib_i\in\mathbb{R}.

      • Perspektif suatu fungsi, f(x,y)=yg(x/y)f(x,y)=yg(x/y), dengan g:ng:\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R} fungsi konveks, xnx\in\mathbb{R}^n, dan y(0,)y\in(0,\infty). Jadi domain perspektif ini adalah n×(0,)\mathbb{R}^n\times(0,\infty).

    • Fungsi konkaf:

      • Minimum fungsi-fungsi afin: f(x)=min{a1,x+b1,,am,x+bm}.f(x)=\min\{\left\langle a_1,x\right\rangle+b_1,\ldots,\left\langle a_m,x\right\rangle+b_m\}.

  • Contoh pada m×n\mathbb{R}^{m\times n}:

    • Fungsi konveks:

      • Fungsi afin f(X)=tr(AX)+b=i=1mj=1nAijXij+bf(X)=\operatorname{tr}(A^\top X)+b=\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^n A_{ij}X_{ij}+b pada m×n\mathbb{R}^{m\times n}, dengan Am×nA\in\mathbb{R}^{m\times n} dan bb\in\mathbb{R}.

      • Norma spektral f(X)=X2=σmax(X)=λmax(XX)f(X)=\|X\|_2=\sigma_{\text{max}}(X)=\sqrt{\lambda_{\text{max}}(X^\top X)}.

      • Fungsi penghalang untuk matriks definit positif, f(X)=logdetXf(X)=-\log\det X pada 𝕊++n\mathbb{S}_{++}^n.

Serupa dengan hasil-hasil di atas, kita dapat menunjukkan karakterisasi kekonveksan kuat berikut.

Misalkan f:Cf:C\rightarrow\mathbb{R}, dengan CdC\subset\mathbb{R}^d konveks, serta μ>0\mu>0. Karakterisasi berikut berlaku:

  • Fungsi ff konveks kuat berparameter μ\mu jika dan hanya jika fμ22f-\frac{\mu}{2}\|\,\cdot\,\|^2 konveks.

  • Syarat orde pertama: jika ff mempunyai perluasan yang terdiferensialkan secara kontinu pada suatu lingkungan terbuka dari CC, maka ff konveks kuat berparameter μ\mu jika dan hanya jika, untuk setiap x,yCx,y\in C, f(x)+f(x),yxf(y)μ2xy2.f(x)+\left\langle \nabla f(x),y-x\right\rangle\leq f(y)-\frac{\mu}{2}\|x-y\|^2.

  • Syarat orde kedua: jika CC terbuka dan ff terdiferensialkan secara kontinu dua kali pada CC, maka ff konveks kuat berparameter μ\mu jika dan hanya jika, untuk setiap xCx\in C, 2f(x)μI.\nabla^2 f(x)\succeq\mu I.

Proof. Buktinya merupakan penyesuaian langsung dari bukti untuk kekonveksan biasa dan ditinggalkan sebagai latihan. ◻

Subgradien

Ingat kembali definisi turunan (Fréchet).

Sepanjang bab ini, XX dan YY menyatakan ruang bernorma real; apabila gradien digunakan, XX merupakan ruang Hilbert. Setiap kali VV atau WW muncul, keduanya menyatakan ruang bernorma real berdimensi hingga. Pada pasangan dual, argumen pertama selalu fungsional dan argumen kedua selalu vektor.

Misalkan f:XYf:X\rightarrow Y. Fungsi ff dikatakan terdiferensialkan (dalam arti Fréchet) di xXx\in X apabila terdapat pemetaan linear kontinu A:XYA:X\rightarrow Y sedemikian sehingga limh0f(x+h)f(x)Ahh=0.\begin{equation} \lim_{\|h\|\rightarrow 0}\frac{\| f(x+h) - f(x) -Ah\|}{\|h\|}= 0. \end{equation} Kita menuliskan A=Df(x)A=Df(x).

Misalkan f:Xf:X\rightarrow \mathbb{R} terdiferensialkan dan XX merupakan ruang Hilbert. Gradien ff di titik xx, yang dilambangkan dengan f(x)\nabla f(x), adalah unsur tunggal di XX sedemikian sehingga Df(x)h=f(x),h,hX.\begin{equation} Df(x)h = \left\langle \nabla f(x),h\right\rangle, \quad h\in X. \end{equation}

Keberadaan dan ketunggalan gradien merupakan akibat langsung dari teorema representasi Riesz, sebab Df(x)X*Df(x)\in X^* apabila ff bernilai real. Perhatikan pula bahwa gradien bergantung pada hasil kali dalam yang dipilih.

Walaupun definisi umum di atas mungkin tampak agak abstrak, gradien yang kita temui biasanya cukup sederhana. Secara khusus, apabila X=dX=\mathbb{R}^d dilengkapi dengan hasil kali dalam Euklides baku, maka f(x)=Df(x)T,\begin{equation} \nabla f(x) = Df(x)^T, \end{equation} yaitu, gradien hanyalah transpos dari turunannya.

Turunan dapat ditafsirkan sebagai hampiran linear terbaik terhadap fungsi di suatu titik, yakni f(y)=f(x)+Df(x)(yx)+o(yx),\begin{equation} f(y) = f(x) + Df(x)(y-x) + o(\|y-x\|), \end{equation} dengan oo kecil menyatakan suatu suku yang meluruh lebih cepat daripada laju linear. Kebanyakan metode optimisasi dapat ditafsirkan sebagai proses berulang untuk meminimumkan hampiran fungsi yang lebih mudah. Akan tetapi, banyak fungsi penting tidak memiliki gradien dalam pengertian di atas. Sebagai contoh, kita mungkin ingin menyelesaikan persoalan minx12Axb22+λKx1,\begin{equation} \min\limits_x \frac{1}{2}\|Ax-b\|^2_2 + \lambda\|K x\|_1, \end{equation} dengan AA dan KK linear. Persoalan komposit semacam ini sangat umum dalam pengolahan citra. Karena itu, kita dapat bertanya apakah terdapat gagasan hampiran linear yang lebih umum tetapi memiliki sifat serupa dengan gradien. Definisi berikut menjawab pertanyaan ini secara positif.

Misalkan f:X(,]f:X\rightarrow(-\infty,\infty] dan xdom(f)x\in\operatorname{dom}(f). Kita menyebut gX*g\in X^* sebagai subgradien ff di xx apabila f(x)+g,yxf(y),yX.\begin{equation} f(x) + \langle g, y-x\rangle\leq f(y), \quad \forall y\in X. \end{equation} Subdiferensial f(x)\partial f(x) di xx adalah himpunan semua subgradien di xx, yakni f(x)={gX*|f(x)+g,yxf(y),yX}.\begin{equation} \partial f(x) =\{ g\in X^*\;|\; f(x) + \langle g, y-x\rangle\leq f(y), \quad \forall y\in X \}. \end{equation} Untuk xdom(f)x\notin\operatorname{dom}(f), kita menetapkan f(x)=\partial f(x)=\emptyset.

Jadi, subdiferensial dapat saja kosong; menurut konvensi di atas, subdiferensial kosong di setiap titik xXx\in X dengan f(x)=f(x)=\infty.

 

  1. Norma: Misalkan f=f = \left\lVert \cdot\right\rVert. Maka f(0)=B¯*,1(0),\partial f(0) = \overline{B}_{\|\cdot\|_*, 1}(0), yaitu bola satuan untuk norma dual. Ingat bahwa norma dual *\|\cdot\|_* didefinisikan oleh y*=supx1|y,x|.\|y\|_* = \sup_{\|x\|\leq 1} |\langle y,x\rangle|. Sebagai contoh, apabila f=1f = \|\cdot\|_1 pada n\mathbb{R}^n, maka f(0)=B¯,1(0)=[1,1]n.\partial f(0) = \overline{B}_{\|\cdot\|_\infty,1}(0) = [-1,1]^n.

  2. Untuk suatu himpunan tak kosong SXS \subseteq X dan titik xSx \in S, tinjau fungsi indikator δS\delta_S. Subdiferensialnya adalah δS(x)={yX*:y,zx0,zS}NS(x),\partial\delta_S(x)=\left\{y\in X^\ast:\left\langle y,z-x\right\rangle\leq 0,\;\forall z\in S\right\}\eqqcolon N_S(x), yang disebut kerucut normal SS di xx. Subdiferensial fungsi indikator dari bola satuan adalah NB¯,1(0)(x)={{yX*y*y,x}jika x1,jika x>1.N_{\overline{B}_{\|\cdot\|, 1}(0)}(x)= \begin{cases} \{y\in X^\ast\mid\|y\|_*\leq \left\langle y,x\right\rangle\}&\text{jika }\left\lVert x\right\rVert\leq 1,\\ \emptyset&\text{jika }\left\lVert x\right\rVert>1. \end{cases}

Kita perlu memastikan bahwa subdiferensial benar-benar memperumum gradien biasa.

Misalkan f:Xf:X\rightarrow \mathbb{R} konveks dan terdiferensialkan di xdom(f)x\in \operatorname{dom}(f)^\circ, dengan XX ruang Hilbert. Maka f(x)={f(x)}\partial f(x) = \{\nabla f(x)\}.

Proof. Kita perlu menunjukkan (i) f(x)f(x)\nabla f(x)\in \partial f(x) dan (ii) jika gf(x)g\in\partial f(x), maka g=f(x)g=\nabla f(x). Bagian (i) langsung mengikuti karakterisasi orde pertama untuk fungsi konveks terdiferensialkan, yang memberikan f(x)+f(x),yxf(y),yX,\begin{equation} f(x) + \left\langle \nabla f(x),y-x\right\rangle\leq f(y),\quad y\in X, \end{equation} sehingga f(x)f(x)\nabla f(x)\in\partial f(x). Untuk (ii), menurut definisi subgradien, bagi setiap gf(x)g\in\partial f(x), hXh\in X, dan t>0t>0 yang cukup kecil sehingga x+thdom(f)x+th\in\operatorname{dom}(f), berlaku g,hf(x+th)f(x)t.\begin{equation} \left\langle g,h\right\rangle\leq \frac{f(x+th)-f(x)}{t}. \end{equation} Dengan mengambil limit t0t\rightarrow 0, diperoleh g,hf(x),h\left\langle g,h\right\rangle\leq \left\langle \nabla f(x),h\right\rangle. Menerapkan ketaksamaan yang sama pada h-h memberikan ketaksamaan sebaliknya. Karena itu g,h=f(x),h\left\langle g,h\right\rangle= \left\langle \nabla f(x),h\right\rangle untuk setiap hh, sehingga g=f(x)g=\nabla f(x). ◻

Dalam dimensi hingga, kebalikannya juga berlaku bagi fungsi konveks yang hingga pada suatu lingkungan titik xx: jika subdiferensial di xx hanya terdiri atas satu unsur, maka ff terdiferensialkan di xx dan f(x)={f(x)}\partial f(x) = \{\nabla f(x)\}.

Parabola halus dengan sebuah garis singgung putus-putus pada titik yang ditandai; kemiringan garis merupakan gradien. Grafik berbentuk V dengan tiga garis pendukung melalui titik tak mulus; kemiringan masing-masing garis merupakan subgradien yang sah.

Deskripsi rinci: Parabola halus dengan sebuah garis singgung putus-putus pada titik yang ditandai; kemiringan garis merupakan gradien.

Deskripsi rinci: Grafik berbentuk V dengan tiga garis pendukung melalui titik tak mulus; kemiringan masing-masing garis merupakan subgradien yang sah.

Kiri: gradien sebagai kemiringan garis singgung. Kanan: sebuah subgradien sebagai kemiringan garis pendukung.

Deskripsi gambar. Panel kiri memperlihatkan parabola halus dan satu garis singgung putus-putus pada titik yang ditandai. Panel kanan memperlihatkan grafik berbentuk V untuk norma satu dimensi dan tiga garis pendukung dengan kemiringan berbeda yang semuanya melalui titik sudut yang ditandai. Label matematis pada kedua figur dipertahankan persis dari aset sumber.

 

  1. Untuk f(x)=x2f(x)=\|x\|_2, diperoleh f(x)={{xx2}x0,B¯2,1(0)selain itu.\partial f(x) = \begin{cases} \{\frac{x}{\|x\|_2}\}\quad& x\neq 0,\\ \overline{B}_{\|\cdot\|_2,1}(0)\quad&\text{selain itu}. \end{cases}

  2. Khususnya, untuk d=1d=1 dan f(x)=|x|f(x)=|x|, diperoleh f(x)={{sign(x)}x0,[1,1]selain itu.\partial f(x) = \begin{cases} \{\operatorname{sign}(x)\}\quad& x\neq 0,\\ [-1,1]\quad&\text{selain itu}. \end{cases}

Jika domain f:X(,]f:X\rightarrow(-\infty,\infty] konveks dan subdiferensialnya tak kosong di setiap titik dalam domain, maka ff konveks.

Proof. Misalkan x,ydomfx,y\in \operatorname{dom}f, λ(0,1)\lambda\in (0,1), dan gf(x+λ(yx))g\in \partial f(x+\lambda (y-x)). Menurut definisi subdiferensial, f(x+λ(yx))+g,x(x+λ(yx))f(x),f(x+λ(yx))+g,y(x+λ(yx))f(y),\begin{gather} f(x+\lambda(y-x)) + \langle g, x - (x+\lambda(y-x))\rangle \leq f(x),\\ f(x+\lambda(y-x)) + \langle g, y - (x+\lambda(y-x))\rangle \leq f(y), \end{gather} atau, setara dengan itu, f(x+λ(yx))+g,λ(yx)f(x),f(x+λ(yx))+g,(1λ)(yx)f(y).\begin{gather} f(x+\lambda(y-x)) + \langle g, -\lambda(y-x)\rangle \leq f(x),\\ f(x+\lambda(y-x)) + \langle g, (1-\lambda)(y - x) \rangle \leq f(y). \end{gather} Dengan membagi ketaksamaan pertama oleh λ\lambda, membagi yang kedua oleh 1λ1-\lambda, lalu menjumlahkannya, diperoleh 1λf(x+λ(yx))+11λf(x+λ(yx))1λf(x)+11λf(y).\begin{equation} \begin{aligned} \frac{1}{\lambda} f(x+\lambda(y-x)) + \frac{1}{1-\lambda} f(x+\lambda(y-x))\leq \frac{1}{\lambda} f(x) + \frac{1}{1-\lambda} f(y). \end{aligned} \end{equation} Mengalikan dengan λ(1λ)\lambda (1-\lambda) menghasilkan f(x+λ(yx))(1λ)f(x)+λf(y),\begin{equation} \begin{aligned} f(x+\lambda(y-x)) \leq (1-\lambda) f(x) + \lambda f(y), \end{aligned} \end{equation} sebagaimana yang diperlukan. ◻

Seperti disebutkan di atas, subdiferensial dapat kosong. Namun, bagi fungsi konveks berdimensi hingga kita mempunyai jaminan berikut.

Fungsi bernilai real diperluas disebut sejati (proper) apabila domain efektifnya tidak kosong dan fungsi itu tidak pernah bernilai minus tak hingga.

Misalkan XX ruang bernorma real berdimensi hingga dan f:X¯f:X\rightarrow\overline{\mathbb{R}} sejati dan konveks. Maka f(x)\partial f(x)\neq \emptyset untuk setiap xdom(f)x\in \operatorname{dom}(f)^\circ.

Sebelum membuktikan hasil ini, kita memerlukan beberapa persiapan.

Interior suatu himpunan konveks adalah konveks.

Proof. Misalkan CC konveks. Jika C=C^\circ=\emptyset, tidak ada yang perlu dibuktikan; jadi anggap CC^\circ\neq \emptyset. Ambil x,yCx,y\in C^\circ dan λ(0,1)\lambda\in (0,1). Kita perlu menunjukkan bahwa xλλx+(1λ)yCx_\lambda\coloneqq\lambda x + (1-\lambda)y\in C^\circ. Terdapat ϵ>0\epsilon>0 sedemikian sehingga Bϵ(x),Bϵ(y)CB_\epsilon(x),B_\epsilon(y)\subset C^\circ. Sekarang ambil zBϵ(xλ)z\in B_{\epsilon}(x_\lambda). Dengan demikian, z=xλ+hz=x_\lambda + h untuk suatu h<ϵ\|h\|<\epsilon. Kita dapat menuliskan z=λx+(1λ)y+h=λ(x+h)+(1λ)(y+h).\begin{equation} z = \lambda x + (1-\lambda)y + h = \lambda (x+h) + (1-\lambda)(y + h). \end{equation} Karena x+hBϵ(x)Cx+h\in B_\epsilon(x)\subset C dan y+hBϵ(y)Cy+h\in B_\epsilon(y)\subset C, kekonveksan CC memberikan zCz\in C. Jadi Bϵ(xλ)CB_\epsilon(x_\lambda)\subset C dan xλCx_\lambda\in C^\circ. ◻

Jika Cd,d1C\subset\mathbb{R}^d,\ d\geq 1 konveks dan C=C^\circ=\emptyset, maka terdapat hiperbidang HH sedemikian sehingga CHC\subset H.

Proof. Jika CC kosong, sembarang hiperbidang memenuhi kesimpulan. Selanjutnya anggap CC tak kosong. Tanpa mengurangi keumuman, kita boleh menganggap 0C0\in C. Jika tidak, pilih sembarang x0Cx_0\in C dan tinjau C̃=Cx0\widetilde{C}=C-x_0; pada akhir bukti, hiperbidang yang diperoleh ditranslasikan kembali.

Kita akan menunjukkan bahwa CC merupakan himpunan bagian suatu subruang berdimensi paling besar d1d-1. Andaikan sebaliknya bahwa CC memuat dd unsur yang bebas linear, yaitu terdapat x1,,xdCx_1,\dots,x_d\in C yang bebas linear. Karena CC konveks, selubung konveks conv((xi)i)={i=1dλixi|λΔd}\begin{equation} \operatorname{conv}((x_i)_i)=\bigg\{ \sum_{i=1}^d\lambda_i x_i\;\bigg|\; \lambda\in \Delta^d\bigg\} \end{equation} juga merupakan himpunan bagian CC. Kita mengklaim bahwa x12di=1dxiCx_\star\coloneqq\frac{1}{2d}\sum_{i=1}^d x_i\in C^\circ. Pertama, dari kekonveksan, x=12di=1dxi=i=1d12dxi+120C.x_\star=\frac{1}{2d}\sum_{i=1}^d x_i = \sum_{i=1}^d \frac{1}{2d} x_i + \frac{1}{2}0 \in C. Karena xix_i bebas linear, setiap hdh\in\mathbb{R}^d dapat ditulis sebagai h=iλixih=\sum_i \lambda_i x_i. Pemetaan λh\lambda\mapsto h adalah pemetaan linear bijektif dd\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R}^d. Oleh karena itu terdapat ϵ>0\epsilon>0 sedemikian sehingga h<ϵ\|h\|<\epsilon mengakibatkan |λi|<12d|\lambda_i|<\frac{1}{2d} untuk semua ii. Khususnya, 12d+λi[0,1]\frac{1}{2d}+\lambda_i\in[0,1] dan i=1d(12d+λi)[0,1]\sum_{i=1}^d(\frac{1}{2d}+\lambda_i)\in[0,1]. Akibatnya, untuk setiap h<ϵ\|h\|<\epsilon, x+h=i=1d(12d+λi)xi+(1i(12d+λi))0C.\begin{equation} x_\star+h = \sum_{i=1}^d \big(\frac{1}{2d} + \lambda_i\big) x_i + \bigg(1 - \sum_i\big(\frac{1}{2d} + \lambda_i\big) \bigg)0\in C. \end{equation} Jadi, apabila CC memuat dd unsur bebas linear, interiornya tidak mungkin kosong, sebab Bϵ(x)CB_\epsilon(x_\star)\subset C. Ini bertentangan dengan asumsi. Maka CC memuat paling banyak d1d-1 unsur bebas linear. Pilih himpunan bebas linear maksimal x1,,xkx_1,\dots,x_k di dalam CC; maksimalitas memberikan Cspan{xii=1,,k}.C\subset \operatorname{span}\{ x_i\mid i=1,\dots,k\}. Dimensi subruang ini kurang dari dd, sehingga subruang tersebut termuat dalam suatu hiperbidang. Setelah translasi balik bila diperlukan, diperoleh hiperbidang afin yang memuat himpunan semula. ◻

Dengan kedua hasil sebelumnya, kita dapat membuktikan teorema hiperbidang pendukung.

Misalkan VV ruang bernorma real berdimensi hingga, CVC\subset V tak kosong dan konveks, serta x0C=C¯\Cx_0\in \partial C = \overline{C}\setminus C^\circ7. Maka terdapat aV*a\in V^*, a0a\neq 0, sedemikian sehingga a,va,x0,vC.\begin{equation} \label{subgradient:eq:supporting} \left\langle a,v\right\rangle\leq \left\langle a,x_0\right\rangle,\quad v\in C. \end{equation}

Proof. Hasil ini merupakan akibat teorema pemisahan Hahn–Banach. Kita membedakan dua kasus. Pertama, andaikan CC^\circ\neq \emptyset. Himpunan CC^\circ terbuka, konveks, dan tak kosong. Teorema pemisahan Hahn–Banach dapat diterapkan pada CC^\circ dan {x0}\{x_0\}, sehingga ketaksamaan pendukung berlaku pada interior. Karena CC¯C\subset\overline{C^\circ} dan fungsional pemisah kontinu, ketaksamaan itu meluas ke seluruh CC.

Sebaliknya, jika CC^\circ kosong, lema sebelumnya memberikan hiperbidang afin HH yang memuat CC. Karena HH tertutup dan x0C¯x_0\in\overline C, hiperbidang ini juga memuat titik batas tersebut. Ambil aV*a\in V^* yang tak nol dan bb\in\mathbb{R} sedemikian sehingga H={xa,x=b}.H=\{x\mid \left\langle a,x\right\rangle = b\}. Fungsional aa ini memenuhi [subgradient:eq:supporting]. ◻

Sekarang kita dapat membuktikan keberadaan subgradien.

Bukti [convexity:thm:nonempty_subgrad]. Kita ingin menunjukkan bahwa terdapat gX*g\in X^* sedemikian sehingga f(x)+g,yxf(y)\begin{equation} f(x)+\left\langle g,y-x\right\rangle\leq f(y) \end{equation} untuk semua yXy\in X. Ini setara dengan g,yf(y)g,xf(x).\begin{equation} \label{subgrad:eq:nonempty_subdiff1} \left\langle g,y\right\rangle - f(y)\leq \left\langle g,x\right\rangle - f(x). \end{equation} Bentuk ini menyerupai struktur pemisahan Hahn–Banach. Agar dapat menggunakannya, kita beralih ke epigraf. Perhatikan bahwa (x,f(x))epi(f)(x,f(x))\in \partial \operatorname{epi}(f). Selain itu, kekonveksan ff mengakibatkan epi(f)\operatorname{epi}(f) konveks. Dengan menerapkan teorema hiperbidang pendukung, diperoleh unsur tak nol (g,α)(X×)*=X*×(g,-\alpha)\in (X\times\mathbb{R})^* = X^*\times\mathbb{R} sedemikian sehingga8 (g,α),(y,t)(g,α),(x,f(x)),(y,t)epi(f).\begin{equation} \label{subgrad:eq:nonempty_subdiff2} \left\langle (g,-\alpha),(y,t)\right\rangle\leq \left\langle (g,-\alpha),(x,f(x))\right\rangle,\quad (y,t)\in \operatorname{epi}(f). \end{equation} Ini setara dengan g,yαtg,xαf(x),(y,t)epi(f).\begin{equation} \left\langle g,y\right\rangle-\alpha t \leq \left\langle g,x\right\rangle - \alpha f(x),\quad (y,t)\in \operatorname{epi}(f). \end{equation} Kita akan menunjukkan bahwa α>0\alpha>0. Andaikan α<0\alpha<0. Karena (x,t)epi(f)(x,t)\in \operatorname{epi}(f) untuk setiap t>f(x)t>f(x), kita dapat membiarkan tt\rightarrow \infty dan memperoleh kontradiksi. Berikutnya, andaikan α=0\alpha=0. Maka g,yx0\begin{equation} \left\langle g,y-x\right\rangle \leq 0 \end{equation} bagi semua ydom(f)y\in\operatorname{dom}(f). Karena xdom(f)x\in \operatorname{dom}(f)^\circ, hal ini memaksa g=0g=0. Padahal teorema pemisahan menghasilkan unsur pemisah yang tak nol; sekali lagi kita memperoleh kontradiksi. Jadi α>0\alpha>0, dan kita dapat membagi [subgrad:eq:nonempty_subdiff2] dengan α\alpha untuk memperoleh g̃,ytg̃,xf(x),(y,t)epi(f),\begin{equation} \left\langle \widetilde{g},y\right\rangle - t \leq \left\langle \widetilde{g},x\right\rangle - f(x),\quad (y,t)\in \operatorname{epi}(f), \end{equation} dengan g̃=g/α\widetilde{g} = g/\alpha. Memilih t=f(y)t=f(y) memberikan g̃f(x)\widetilde{g}\in\partial f(x). ◻

Seperti pada turunan biasa, kita dapat menurunkan beberapa aturan hitung untuk memperoleh subgradien dalam praktik.

Misalkan f:Vf:V\rightarrow\mathbb{R} sejati dan konveks serta α0\alpha\geq 0. Maka, untuk setiap xdom(f)x\in\operatorname{dom}(f), (αf)(x)=αf(x).\partial(\alpha f)(x) = \alpha\partial f(x).

Proof. Latihan. ◻

Misalkan f,g:Vf,g:V\rightarrow\mathbb{R} sejati dan konveks. Untuk setiap xdom(f)dom(g)x\in\operatorname{dom}(f)\cap\operatorname{dom}(g), berlaku f(x)+g(x)(f+g)(x).\partial f(x) + \partial g(x)\subset \partial (f+g)(x). Selain itu, jika terdapat x0dom(f)dom(g)x_0\in \operatorname{dom}(f)^\circ \cap\operatorname{dom}(g), maka f(x)+g(x)=(f+g)(x).\partial f(x) + \partial g(x) = \partial (f+g)(x).

Proof. Kita hanya membuktikan inklusi pertama. Bukti arah kedua sedikit lebih rumit dan menggunakan teorema pemisahan Hahn–Banach dengan cara yang serupa dengan bukti keberadaan subgradien.

Ambil p1f(x)p_1\in \partial f(x) dan p2g(x)p_2\in \partial g(x), yaitu f(x)+p1,yxf(y),g(x)+p2,yxg(y).\begin{equation} \begin{aligned} f(x) + \langle p_1, y-x\rangle&\leq f(y),\\ g(x) + \langle p_2, y-x\rangle&\leq g(y). \end{aligned} \end{equation} Menjumlahkan kedua ketaksamaan memberikan f(x)+g(x)+p1+p2,yxf(y)+g(y),\begin{equation} \begin{aligned} f(x)+ g(x) + \langle p_1+p_2, y-x\rangle \leq f(y) + g(y), \end{aligned} \end{equation} sehingga p1+p2(f+g)(x)p_1+p_2\in \partial(f+g)(x). ◻

Terakhir, kita mencatat beberapa aturan hitung subdiferensial tanpa bukti.

Misalkan f:W¯f:W\rightarrow\overline{\mathbb{R}} sejati, konveks, dan semikontinu bawah, serta A:VWA:V\rightarrow W transformasi linear. Definisikan h(x)=f(Ax+b)h(x)=f(Ax+b) untuk bWb\in W. Bagi setiap xdom(h)x\in\operatorname{dom}(h) berlaku aturan lemah A*(f(Ax+b))h(x).A^\ast(\partial f(Ax+b))\subseteq\partial h(x). Kesamaan berlaku apabila terdapat x0Vx_0\in V dengan Ax0+bdom(f)Ax_0+b\in\operatorname{dom}(f)^\circ.

Turunan komposisi fungsi-fungsi terdiferensialkan dihitung dengan aturan rantai. Jadi, turunan h(x)=g(f(x))h(x)=g(f(x)) adalah Dh(x)=Dg(f(x))Df(x)D h(x) = Dg(f(x))Df(x). Rumus ini dapat diperluas ke kalkulus subdiferensial.

Misalkan f:Vf:V\rightarrow \mathbb{R} konveks, g:g:\mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} konveks dan tak menurun, serta h=gfh=g\circ f. Ambil xdom(f)x\in\operatorname{dom}(f)^\circ dan andaikan gg terdiferensialkan di f(x)f(x). Maka h(x)=g(f(x))f(x).\partial h(x)= g'(f(x))\partial f(x).

Misalkan f:V(,]f:V\to(-\infty, \infty] fungsi konveks sejati. Maka x*argminxVf(x)x^\ast\in\arg\min_{x\in V} f(x) jika dan hanya jika 0f(x*)0\in\partial f(x^\ast).

Proof. Pernyataan ini langsung mengikuti ketaksamaan subgradien f(x)f(x*)+0,xx*f(x)\geq f(x^\ast)+\left\langle 0,x-x^\ast\right\rangle bagi setiap xdomfx\in\operatorname{dom}f. ◻

Misalkan f:V(,]f:V\rightarrow(-\infty,\infty] sejati dan konveks, serta CVC\subseteq V konveks dengan dom(f)C\operatorname{dom}(f)^\circ\cap C^\circ \neq\emptyset. Titik x*Cx^\ast\in C merupakan solusi persoalan optimisasi berkendala jika dan hanya jika terdapat gf(x*)g\in \partial f(x^\ast) sedemikian sehingga g,xx*0\left\langle g,x-x^\ast\right\rangle\geq 0 bagi semua xCx\in C.

Penurunan subgradien terproyeksi

Misalkan VV ruang Hilbert real, CVC\subset V himpunan tak kosong, tertutup, dan konveks, serta f:Vf:V\rightarrow\mathbb{R} fungsi konveks. Kita tertarik menyelesaikan masalah minxCf(x).\begin{equation} \min_{x\in C} f(x). \end{equation} Kita mengasumsikan bahwa himpunan peminim tidak kosong dan menetapkan x*argminxCf(x)x^*\in\arg\min_{x\in C}f(x). Masalah berkendala di atas selalu dapat ditulis sebagai masalah tak berkendala melalui minxVf(x)+δC(x),\begin{equation} \min_{x\in V} f(x) + \delta_C(x), \end{equation} dengan δC\delta_C fungsi indikator himpunan CC.9

Ingat kembali metode optimisasi numerik paling dasar untuk masalah semacam ini ketika C=VC=V dan ff terdiferensialkan: penurunan gradien (atau penurunan tercuram). Kita memilih nilai awal x0x_0, lalu untuk k=0,1,k=0,1,\dots melakukan pembaruan xk+1=xkτkf(xk),\begin{equation} x_{k+1} = x_k-\tau_k \nabla f(x_k), \end{equation} dengan τk>0\tau_k>0 menyatakan ukuran langkah. Algoritma baru pertama yang kita tinjau ialah versi subgradien dari penurunan tercuram: untuk k=0,1,k=0,1,\dots, {gkf(xk),xk+1=xkτkgk.\begin{equation} \begin{cases} g_k &\in \partial f(x_k),\\ x_{k+1} &= x_k-\tau_k g_k. \end{cases} \end{equation} Jika CVC\neq V, masalah segera dapat muncul: mungkin saja xk+1Cx_{k+1}\notin C. Dalam hal itu, iterasi yang memakai subdiferensial f+δCf+\delta_C tidak lagi terdefinisi karena δC(x)=\partial\delta_C(x)=\emptyset untuk xCx\notin C. Karena itu, kita perlu memastikan setiap iterasi baru tetap berada di CC; untuk tujuan ini kita memakai proyeksi.

Misalkan VV ruang Hilbert real dan CVC\subset V tak kosong, tertutup, dan konveks. Fungsi berikut terdefinisi dengan baik: projC:VC,xargminyCxy.\begin{equation} \begin{aligned} \operatorname{proj}_C:V&\rightarrow C,\\ x&\mapsto\arg\min_{y\in C}\|x-y\|. \end{aligned} \end{equation}

Proof. Kita perlu menunjukkan bahwa minimum tercapai secara tunggal. Tetapkan d=infyCyxd=\inf_{y\in C}\|y-x\|, dan ambil barisan peminimum (yn)nC(y_n)_n\subset C, yaitu limnynx=d.\begin{equation} \lim_n \|y_n-x\| = d. \end{equation} Karena CC konveks, (yn+ym)/2C(y_n+y_m)/2\in C. Identitas jajaran genjang memberi ynym2=2ynx2+2ymx24yn+ym2x22ynx2+2ymx24d2.\|y_n-y_m\|^2 =2\|y_n-x\|^2+2\|y_m-x\|^2 -4\left\|\frac{y_n+y_m}{2}-x\right\|^2 \leq 2\|y_n-x\|^2+2\|y_m-x\|^2-4d^2. Ruas kanan menuju nol ketika m,nm,n\rightarrow\infty, sehingga (yn)n(y_n)_n merupakan barisan Cauchy. Kelengkapan VV menghasilkan ynŷVy_n\rightarrow\widehat y\in V, sedangkan ketertutupan CC menghasilkan ŷC\widehat y\in C. Dari kontinuitas norma diperoleh ŷx=limnynx=d,\begin{equation} \|\widehat y-x\| = \lim_n \|y_n-x\| = d, \end{equation} jadi peminim memang ada.

Untuk ketunggalan, andaikan y1y2y_1\neq y_2 keduanya peminim. Identitas jajaran genjang memberikan y1+y22x2=12y1x2+12y2x214y1y22<d2.\begin{equation} \begin{aligned} \left\|\frac{y_1+y_2}{2}-x\right\|^2 &=\frac{1}{2}\|y_1-x\|^2+\frac{1}{2}\|y_2-x\|^2 -\frac{1}{4}\|y_1-y_2\|^2\\ &<d^2. \end{aligned} \end{equation} Namun (y1+y2)/2C(y_1+y_2)/2\in C, yang bertentangan dengan definisi dd. Jadi peminimnya tunggal. ◻

Dengan proyeksi, kita memperoleh cara mengatasi masalah keluar dari CC: metode subgradien terproyeksi. Pilih x0Cx_0\in C; kemudian, untuk k=0,1,k=0,1,\dots dan τk0\tau_k\geq0, tetapkan {gkf(xk),xk+1=projC(xkτkgk).\begin{equation} \label{subgradient:eq:projectedSG} \begin{cases} g_k &\in \partial f(x_k),\\ x_{k+1} &= \operatorname{proj}_C( x_k-\tau_k g_k) . \end{cases} \end{equation} Untuk membuktikan konvergensi metode ini, kita memerlukan beberapa hasil bantu.

Misalkan VV ruang Hilbert real dan CVC\subset V tak kosong, tertutup, dan konveks. Maka xprojC(x),yprojC(x)0,yC.\begin{equation} \left\langle x-\operatorname{proj}_C(x),y-\operatorname{proj}_C(x)\right\rangle\leq 0,\quad y\in C. \end{equation} Khususnya, jika CC subruang,10 maka xprojC(x),y=0,yC.\begin{equation} \left\langle x-\operatorname{proj}_C(x),y\right\rangle= 0,\quad y\in C. \end{equation}

Proof. Untuk setiap yCy\in C, kita mempunyai projC(x)x2yx2=yprojC(x)+projC(x)x2=yprojC(x)2+2yprojC(x),projC(x)x+projC(x)x2.\begin{equation} \begin{aligned} \|\operatorname{proj}_C(x)-x\|^2 &\leq \|y-x\|^2\\ &= \|y - \operatorname{proj}_C(x) + \operatorname{proj}_C(x)-x\|^2\\ &= \|y-\operatorname{proj}_C(x)\|^2 + 2 \left\langle y-\operatorname{proj}_C(x),\operatorname{proj}_C(x)-x\right\rangle + \|\operatorname{proj}_C(x)-x\|^2. \end{aligned} \end{equation} Akibatnya, 0yprojC(x)2+2yprojC(x),projC(x)x.\begin{equation} \begin{aligned} 0\leq \|y-\operatorname{proj}_C(x)\|^2 + 2 \left\langle y-\operatorname{proj}_C(x),\operatorname{proj}_C(x)-x\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Ambil sebarang zCz\in C, lalu pada ketaksamaan di atas masukkan y=projC(x)+t(zprojC(x))y=\operatorname{proj}_C(x) + t(z-\operatorname{proj}_C(x)) untuk t(0,1)t\in (0,1). Kita memperoleh 0t2zprojC(x)2+2tzprojC(x),projC(x)x.\begin{equation} \begin{aligned} 0\leq t^2 \|z-\operatorname{proj}_C(x)\|^2 + 2 t\left\langle z-\operatorname{proj}_C(x),\operatorname{proj}_C(x)-x\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Setelah dibagi dengan t>0t>0, 0tzprojC(x)2+2zprojC(x),projC(x)x.\begin{equation} \begin{aligned} 0\leq t \|z-\operatorname{proj}_C(x)\|^2 + 2 \left\langle z-\operatorname{proj}_C(x),\operatorname{proj}_C(x)-x\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Dengan mengambil limit t0t\rightarrow 0, kita memperoleh hasil yang diinginkan. Kesamaan untuk kasus subruang ditinggalkan sebagai latihan. ◻

Misalkan VV ruang Hilbert real dan CVC\subset V tak kosong, tertutup, dan konveks. Proyeksi pada CC bersifat tak ekspansif, yaitu kontinu Lipschitz dengan konstanta satu: projC(x1)projC(x2)x1x2.\begin{equation} \|\operatorname{proj}_C(x_1)-\operatorname{proj}_C(x_2)\|\leq \|x_1-x_2\|. \end{equation}

Proof. Tanpa mengurangi keumuman, andaikan projC(x2)projC(x1)20\|\operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1)\|^2 \neq 0, sebab jika tidak, tidak ada yang perlu dibuktikan. Kita memperoleh projC(x2)projC(x1)2=projC(x2)projC(x1),projC(x2)x1+x1projC(x1)=projC(x2)projC(x1),projC(x2)x1+projC(x2)projC(x1),x1projC(x1)projC(x2)projC(x1),projC(x2)x1=projC(x2)projC(x1),projC(x2)x2+x2x1projC(x1)projC(x2),x2projC(x2)+projC(x2)projC(x1),x2x1projC(x2)projC(x1),x2x1projC(x2)projC(x1)x2x1.\begin{equation} \begin{aligned} \|\operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1)\|^2 &= \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),\operatorname{proj}_C(x_2)-x_1+x_1-\operatorname{proj}_C(x_1)\right\rangle\\ &= \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),\operatorname{proj}_C(x_2)-x_1\right\rangle\\ &\quad+ \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),x_1-\operatorname{proj}_C(x_1)\right\rangle\\ &\leq \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),\operatorname{proj}_C(x_2)-x_1\right\rangle\\ &= \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),\operatorname{proj}_C(x_2)-x_2+x_2-x_1\right\rangle\\ &\leq \left\langle \operatorname{proj}_C(x_1)-\operatorname{proj}_C(x_2),x_2-\operatorname{proj}_C(x_2)\right\rangle\\ &\quad+ \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),x_2-x_1\right\rangle\\ &\leq \left\langle \operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1),x_2-x_1\right\rangle\\ &\leq \|\operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1)\|\|x_2-x_1\|. \end{aligned} \end{equation} Membagi dengan projC(x2)projC(x1)0\|\operatorname{proj}_C(x_2)-\operatorname{proj}_C(x_1)\|\neq 0 menghasilkan kesimpulan. ◻

Misalkan x*argminxCf(x)x^*\in\arg\min_{x\in C}f(x), dan misalkan xkx_k adalah iterasi metode subgradien terproyeksi [subgradient:eq:projectedSG], dengan gkf(xk)g_k\in\partial f(x_k) dan τk0\tau_k\geq0. Maka xk+1x*2xkx*22τk(f(xk)f(x*))+τk2gk2.\begin{equation} \|x_{k+1}-x^*\|^2 \leq \|x_k- x^*\|^2 - 2\tau_k (f(x_k)-f(x^*)) + \tau_k^2\|g_k\|^2. \end{equation}

Proof. Dari definisi subgradien, f(xk)+gk,x*xkf(x*)f(x_k)+ \left\langle g_k,x^*-x_k\right\rangle\leq f(x^*). Karena x*Cx^*\in C, kita mempunyai projC(x*)=x*\operatorname{proj}_C(x^*)=x^*. Ketakspansifan proyeksi lalu memberikan xk+1x*2=projC(xkτkgk)projC(x*)2xkτkgkx*2=xkx*22τkgk,xkx*+τk2gk2xkx*22τk(f(xk)f(x*))+τk2gk2.\begin{equation} \label{eq:subgradient:fundamental} \begin{aligned} \|x_{k+1}-x^*\|^2 &= \|\operatorname{proj}_C(x_k-\tau_kg_k) - \operatorname{proj}_C(x^*)\|^2\\ &\leq \|x_k-\tau_k g_k - x^*\|^2\\ &= \|x_k- x^*\|^2 - 2\tau_k \left\langle g_k,x_k-x^*\right\rangle + \tau_k^2\|g_k\|^2\\ &\leq \|x_k- x^*\|^2 - 2\tau_k (f(x_k)-f(x^*)) + \tau_k^2\|g_k\|^2. \end{aligned} \end{equation} ◻

Hal yang wajar dilakukan sekarang ialah memakai hasil sebelumnya untuk menentukan ukuran langkah optimal. Lebih tepatnya, dengan meminimumkan ruas kanan [eq:subgradient:fundamental] terhadap τk\tau_k, kita memperoleh τk=f(xk)f(x*)gk2\begin{equation} \tau_k = \frac{f(x_k)-f(x^*)}{\|g_k\|^2} \end{equation} jika gk0g_k\neq 0, dan kita menetapkan τk=0\tau_k=0 jika gk=0g_k=0. Ukuran langkah ini disebut aturan ukuran langkah Polyak.

Sebagai latihan, buktikan bahwa jika fungsi konveks f:Vf:V\rightarrow\mathbb{R} bersifat LL-Lipschitz secara global pada VV, maka setiap gf(x)g\in\partial f(x) memenuhi gL\|g\|\leq L. Pada hasil-hasil berikut, kita memakai langsung batas pada subgradien yang dipilih, sehingga juga mencakup situasi berkendala yang tidak memenuhi asumsi Lipschitz global tersebut.

Andaikan subgradien yang dipilih pada iterasi memenuhi gkL\|g_k\|\leq L. Dengan aturan ukuran langkah Polyak τk=f(xk)f(x*)gk2jika gk0,τk=0jika gk=0.\begin{equation} \tau_k = \frac{f(x_k)-f(x^*)}{\|g_k\|^2}\quad\text{jika }g_k\neq0, \qquad \tau_k=0\quad\text{jika }g_k=0. \end{equation} metode subgradien terproyeksi [subgradient:eq:projectedSG] memenuhi

  1. xk+1x*2xkx*2\|x_{k+1}-x^*\|^2\leq \|x_k-x^*\|^2, dengan ketaksamaan ketat jika f(xk)>f(x*)f(x_k)>f(x^*);

  2. f(xk)f(x*)f(x_k)\rightarrow f(x^*) ketika kk\rightarrow\infty; dan

  3. fbestNf(x*)Lx1x*Nf_{\mathrm{best}}^N-f(x^*)\leq \dfrac{L\|x_1-x^*\|}{\sqrt{N}}, dengan fbestN=mink=1,,Nf(xk)f_{\mathrm{best}}^N = \min_{k=1,\dots,N}f(x_k).

Proof. Tanpa mengurangi keumuman, kita boleh mengasumsikan f(x*)=0f(x^*)=0. Jika tidak, cukup tinjau f̃(x)f(x)f(x*)\widetilde f(x)\coloneq f(x)-f(x^*). Dari [lemma:subgradient:fundamental] dan aturan ukuran langkah diperoleh xk+1x*2xkx*22τkf(xk)+τk2gk2=xkx*2ak,\begin{equation} \begin{aligned} \|x_{k+1}-x^*\|^2 &\leq \|x_k - x^*\|^2 - 2\tau_k f(x_k) +\tau_k^2\|g_k\|^2\\ &= \|x_k - x^*\|^2 - a_k, \end{aligned} \end{equation} dengan ak=f(xk)2/gk2a_k=f(x_k)^2/\|g_k\|^2 jika gk0g_k\neq0, dan nol jika gk=0g_k=0. Jika gk=0g_k=0, kekonveksan memberi f(xk)=f(x*)f(x_k)=f(x^*). Karena itu, pengurangan bersifat ketat tepat ketika celah nilai fungsi positif.

Dengan menata ulang dan menjumlahkan untuk k=1,,Nk=1,\dots,N, kita memperoleh k=1Nakx1x*2xN+1x*2x1x*2.\begin{equation} \sum_{k=1}^{N} a_k \leq \|x_1-x^*\|^2 - \|x_{N+1}-x^*\|^2 \leq \|x_1-x^*\|^2. \end{equation} Karena gkL\|g_k\|\leq L, k=1Nf(xk)2k=1NL2akL2x1x*2.\begin{equation} \sum_{k=1}^{N} f(x_k)^2 \leq \sum_{k=1}^{N} L^2 a_k \leq L^2 \|x_1-x^*\|^2. \end{equation} Batas ini berlaku untuk setiap NN, sehingga f(xk)0f(x_k)\rightarrow0. Selain itu, N(fbestN)2k=1Nf(xk)2L2x1x*2,\begin{equation} N (f_{\mathrm{best}}^N)^2 \leq \sum_{k=1}^{N} f(x_k)^2 \leq L^2\|x_1-x^*\|^2, \end{equation} yaitu fbestNLx1x*N.\begin{equation} f_{\mathrm{best}}^N\leq \frac{L\|x_1-x^*\|}{\sqrt{N}}. \end{equation} ◻

Untuk mencapai ketelitian fbestNf(x*)ϵf_{\mathrm{best}}^N - f(x^*)\leq \epsilon, kita memerlukan N=𝒪(L2x1x*2ϵ2)N=\mathcal{O}\!\left(\frac{L^2\|x_1-x^*\|^2}{\epsilon^2}\right) iterasi.

Ingat bahwa metode gradien mulus standar mencapai kompleksitas 𝒪(1/ϵ)\mathcal{O}(1/\epsilon).

Walaupun hasil konvergensi dengan aturan ukuran langkah Polyak menarik secara teoretis dan memberi batas kasus terburuk untuk iterasi terbaik, dalam praktiknya ukuran langkah tersebut tidak dapat dihitung tanpa mengetahui f(x*)f(x^*). Berikut ini kita berikan hasil konvergensi yang lebih umum.

Andaikan subgradien yang dipilih memenuhi gkL\|g_k\|\leq L, dan ukuran langkah τk>0\tau_k>0 memenuhi k=1nτkk=1nτk2ketika n.\frac{\sum_{k=1}^n\tau_k}{\sum_{k=1}^n\tau_k^2}\rightarrow \infty \qquad\text{ketika }n\rightarrow\infty. Maka fbestnf(x*)x1x*2+L2k=1nτk22k=1nτk0.f^n_{\mathrm{best}}-f(x^*) \leq \frac{\|x_1-x^*\|^2+L^2\sum_{k=1}^n\tau_k^2} {2\sum_{k=1}^n\tau_k} \longrightarrow0.

Proof. Sekali lagi, untuk menyederhanakan notasi, andaikan f(x*)=0f(x^*)=0. Dengan memakai gkL\|g_k\|\leq L dan menjumlahkan ketaksamaan fundamental [lemma:subgradient:fundamental] untuk k=1,,nk=1,\dots,n, kita memperoleh 2k=1nτkf(xk)x1x*2+L2k=1nτk2.\begin{equation} 2\sum_{k=1}^n\tau_k f(x_k) \leq \|x_1-x^*\|^2 + L^2 \sum_{k=1}^n \tau_k^2. \end{equation} Tuliskan σn=k=1nτkk=1nτk2.\sigma_n = \frac{\sum_{k=1}^n\tau_k}{\sum_{k=1}^n\tau_k^2}. Karena fbestnf(xk)f^n_{\mathrm{best}}\leq f(x_k), fbestnk=1nτkf(xk)k=1nτkx1x*22k=1nτk+L22σn.\begin{equation} f^n_{\mathrm{best}} \leq \frac{\sum_{k=1}^n\tau_kf(x_k)}{\sum_{k=1}^n\tau_k} \leq \frac{\|x_1-x^*\|^2}{2\sum_{k=1}^n\tau_k} +\frac{L^2}{2\sigma_n}. \end{equation} Hipotesis σn\sigma_n\rightarrow\infty juga memaksa k=1nτk\sum_{k=1}^n\tau_k\rightarrow\infty; karena itu, kedua suku pada ruas kanan menuju nol. ◻

Varian hasil konvergensi juga dapat diperoleh, misalnya jika CC kompak; lihat (Beck 2017) untuk perinciannya.

Konvergensi dapat dipercepat dan juga ditransfer dari nilai fungsi ke iterasi (xk)k(x_k)_k jika kita menambahkan asumsi bahwa ff konveks kuat.

Andaikan ff konveks kuat dengan parameter μ>0\mu>0 pada CC, dan subgradien yang dipilih memenuhi gkL\|g_k\|\leq L.11 Mulai dari x1Cx_1\in C, gunakan ukuran langkah τk=2μk\tau_k = \dfrac{2}{\mu k} untuk k1k\geq1. Untuk n2n\geq2, metode subgradien terproyeksi [subgradient:eq:projectedSG] memenuhi

  1. fbestnf(x*)2L2μ(n1)f^n_{\mathrm{best}}-f(x^*)\leq \dfrac{2L^2}{\mu (n-1)}; dan

  2. xnx*2Lμn1\|x_n-x^*\|\leq \dfrac{2L}{\mu \sqrt{n-1}}.

Proof. Seperti sebelumnya, tanpa mengurangi keumuman, tetapkan f(x*)=0f(x^*)=0. Kekonveksan kuat memperbaiki ketaksamaan fundamental menjadi xk+1x*2(1μτk)xkx*22τkf(xk)+τk2gk2(1μτk)xkx*22τkf(xk)+τk2L2.\begin{equation} \begin{aligned} \|x_{k+1}-x^*\|^2 &\leq (1-\mu\tau_k)\|x_k- x^*\|^2 - 2\tau_k f(x_k) + \tau_k^2\|g_k\|^2\\ &\leq (1-\mu\tau_k)\|x_k- x^*\|^2 - 2\tau_k f(x_k) + \tau_k^2L^2. \end{aligned} \end{equation} Dengan menata ulang dan membagi dengan 2τk2\tau_k, diperoleh f(xk)τk12xk+1x*2+τk1μ2xkx*2+τk2L2.\begin{equation} \begin{aligned} f(x_k) \leq -\frac{\tau_k^{-1}}{2}\|x_{k+1}-x^*\|^2 + \frac{\tau_k^{-1}-\mu}{2}\|x_k- x^*\|^2 + \frac{\tau_k}{2}L^2. \end{aligned} \end{equation} Memasukkan τk=2/(μk)\tau_k = 2/(\mu k) menghasilkan f(xk)μk4xk+1x*2+μ(k2)4xkx*2+1μkL2.\begin{equation} \begin{aligned} f(x_k) \leq -\frac{\mu k}{4} \|x_{k+1}-x^*\|^2 + \frac{\mu(k-2)}{4}\|x_k- x^*\|^2 + \frac{1}{\mu k}L^2. \end{aligned} \end{equation} Kalikan dengan k1k-1, lalu jumlahkan terhadap k=1,,nk=1,\dots,n. Suku jarak meneleskop, sehingga k=1n(k1)f(xk)μn(n1)4xn+1x*2+1μk=1nk1kL2.\begin{equation} \sum_{k=1}^{n} (k-1)f(x_k) \leq -\frac{\mu n(n-1)}{4} \|x_{n+1}-x^*\|^2 + \frac{1}{\mu}\sum_{k=1}^{n}\frac{k-1}{k}L^2. \end{equation} Karena k=1n(k1)=n(n1)/2\sum_{k=1}^{n} (k-1)=n(n-1)/2 dan k=1n(k1)/kn\sum_{k=1}^{n}(k-1)/k\leq n, kita memperoleh n(n1)2fbestnk=1n(k1)f(xk)μn(n1)4xn+1x*2+nL2μ.\begin{equation} \label{subgradient:eq:strongly} \frac{n(n-1)}{2} f^n_{\mathrm{best}} \leq \sum_{k=1}^{n} (k-1)f(x_k) \leq -\frac{\mu n(n-1)}{4} \|x_{n+1}-x^*\|^2 + \frac{nL^2}{\mu}. \end{equation} Dengan membuang suku jarak yang tak positif, diperoleh fbestn2L2μ(n1).\begin{equation} f^n_{\mathrm{best}} \leq \frac{2L^2}{\mu(n-1)}. \end{equation}

Untuk batas iterasi, buang suku 2τkf(xk)0-2\tau_k f(x_k)\leq0 dari ketaksamaan fundamental yang diperbaiki. Dengan dk=xkx*d_k=\|x_k-x^*\|, dk+12(12k)dk2+4L2μ2k2.\begin{equation} d_{k+1}^2\leq\left(1-\frac{2}{k}\right)d_k^2 +\frac{4L^2}{\mu^2k^2}. \end{equation} Untuk k=1k=1, ketaksamaan ini memberi d224L2/μ2d_2^2\leq4L^2/\mu^2. Jika dk24L2/[μ2(k1)]d_k^2\leq4L^2/[\mu^2(k-1)], substitusi pada relasi di atas memberikan dk+124L2μ2(k2k(k1)+1k2)4L2μ2k.d_{k+1}^2 \leq \frac{4L^2}{\mu^2} \left(\frac{k-2}{k(k-1)}+\frac{1}{k^2}\right) \leq \frac{4L^2}{\mu^2k}. Induksi membuktikan xnx*2L/[μn1]\|x_n-x^*\|\leq2L/[\mu\sqrt{n-1}] untuk setiap n2n\geq2. ◻

Metode gradien proksimal

Kita telah melihat dalam bukti (dan latihan praktis) bahwa metode subgradien tidak memberikan konvergensi yang ideal. Dalam kasus dasar atau terburuk, nilai fungsi berkonvergensi dengan orde 𝒪(1/k)\mathcal{O}(1/\sqrt{k}), dan konvergensi memerlukan ukuran langkah yang mengecil. Dalam bab ini, kita akan memperkenalkan alternatif bagi subgradien (eksplisit) dalam optimisasi.

Perhatikan masalah tak berkendala minxf(x),\begin{equation} \label{proximal:eq:problem} \min_x f(x), \end{equation} dengan f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, semikontinu bawah, dan konveks. Ingat pembaruan metode subgradien xk+1=xkτkgkx_{k+1}=x_k-\tau_k g_k, gkf(xk)g_k\in\partial f(x_k), atau, secara ekuivalen, xk+1xkτkf(xk)x_{k+1}\in x_k-\tau_k\partial f(x_k). Untuk τk>0\tau_k>0, kita usulkan pembaruan implisit xk+1xkτkf(xk+1).\begin{equation} \label{proximal:eq:intro} x_{k+1}\in x_k-\tau_k\partial f(x_{k+1}). \end{equation} Pada tahap ini belum jelas apakah metode tersebut terdefinisi dengan baik. Namun, jika memang terdefinisi, secara intuitif kestabilannya dapat membaik karena arah pembaruan dipilih dengan melihat ke masa depan. Gagasan ini selaras dengan kestabilan metode implisit untuk mendiskretkan persamaan diferensial (bandingkan Euler implisit).

Jika kita amati [proximal:eq:intro] lebih dekat, aturan itu dapat ditulis sebagai 0(12xk2+τkf)(xk+1),\begin{equation} 0\in\partial\biggl(\frac{1}{2}\|\cdot-x_k\|^2+\tau_k f\biggr)(x_{k+1}), \end{equation} yang merupakan kondisi optimalitas untuk minx12xxk2+τkf(x).\begin{equation} \min_x\frac{1}{2}\|x-x_k\|^2+\tau_k f(x). \end{equation} Hal ini membawa kita pada definisi berikut.

Operator atau pemetaan proksimal dari f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] didefinisikan sebagai pemetaan proxf:d2d,xargminyd12yx2+f(y).\begin{equation} \begin{aligned} \operatorname{prox}_f:\mathbb{R}^d&\rightarrow 2^{\mathbb{R}^d},\\ x&\mapsto\arg\min_{y\in\mathbb{R}^d}\frac{1}{2}\|y-x\|^2+f(y). \end{aligned} \end{equation}

Kita biasanya menyebut proxf\operatorname{prox}_f sebagai “proks”. Sebagai pemetaan bernilai himpunan, proks selalu dapat dituliskan; tetapi pemetaan itu baru berguna ketika proxf(x)\operatorname{prox}_f(x)\neq\emptyset. Kita dapat membuktikan hasil berikut.

Misalkan f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, konveks, dan semikontinu bawah. Pemetaan proksimal bernilai tunggal. Lebih lanjut, y=proxf(x)y=\operatorname{prox}_f(x) jika dan hanya jika 0(yx)+f(y)0\in(y-x)+\partial f(y).

Berdasarkan karakterisasi 0(yx)+f(y)0\in(y-x)+\partial f(y), kita sering menulis proks sebagai proxf(x)=(Id+f)1(x)\operatorname{prox}_f(x)=(\operatorname{Id}+\partial f)^{-1}(x).

Proof. Demi kesederhanaan, andaikan dom(f)\operatorname{dom}(f)^\circ\neq\emptyset; untuk kasus umum, lihat (Beck 2017).

Ambil gf(y0)g\in\partial f(y_0) untuk suatu y0dom(f)y_0\in\operatorname{dom}(f)^\circ. Kita mempunyai f(y0)+g,yy0+12xy2f(y)+12xy2.\begin{equation} f(y_0)+\left\langle g,y-y_0\right\rangle+\frac{1}{2}\|x-y\|^2 \leq f(y)+\frac{1}{2}\|x-y\|^2. \end{equation} Oleh karena itu (mengapa?), pemetaan yf(y)+12xy2y\mapsto f(y)+\frac{1}{2}\|x-y\|^2 bersifat koersif. Pemetaan ini juga mewarisi sifat semikontinu bawah dan proper dari ff. Dengan metode langsung untuk fungsi proper, semikontinu bawah, dan koersif di ruang berdimensi hingga, terdapat solusi bagi minyd12yx2+f(y).\begin{equation} \label{proximal:eq:prox_proof} \min_{y\in\mathbb{R}^d}\frac{1}{2}\|y-x\|^2+f(y). \end{equation} Untuk keunikan, definisikan qx(y)=12yx2+f(y)q_x(y)=\frac{1}{2}\|y-x\|^2+f(y) dan andaikan y1y2y_1\neq y_2 adalah dua peminim. Karena suku kuadrat konveks ketat dan ff konveks, untuk y=(y1+y2)/2\bar y=(y_1+y_2)/2 berlaku qx(y)<12(qx(y1)+qx(y2))=minydqx(y),\begin{equation} \begin{aligned} q_x(\bar y) <&\frac{1}{2}\bigl(q_x(y_1)+q_x(y_2)\bigr)\\ =&\min_{y\in\mathbb{R}^d}q_x(y), \end{aligned} \end{equation} sebuah kontradiksi. Pernyataan terakhir merupakan kondisi optimalitas bagi [proximal:eq:prox_proof]. ◻

Setelah mengetahui bahwa proks terdefinisi dengan baik, kita dapat mendefinisikan metode gradien proksimal. Secara khusus, perhatikan masalah minxdF(x)f(x)+g(x),\begin{equation} \label{proximal:eq:composite} \min_{x\in\mathbb{R}^d}F(x)\coloneqq f(x)+g(x), \end{equation} dengan ff konveks dan LL-halus, yakni terdiferensialkan dengan gradien LL-Lipschitz, sedangkan gg proper, konveks, dan semikontinu bawah. Masalah semacam ini sering muncul dalam praktik dan mencakup masalah semula dengan mengambil f0f\equiv0. Untuk k=0,1,k=0,1,\dots, metode gradien proksimal didefinisikan oleh xk+1=proxτkg(xkτkf(xk)).\begin{equation} \label{proximal:eq:prox_grad} \begin{aligned} x_{k+1}=\operatorname{prox}_{\tau_k g}\bigl(x_k-\tau_k\nabla f(x_k)\bigr). \end{aligned} \end{equation} Jadi, kita melakukan langkah gradien atau eksplisit terhadap ff, lalu langkah proksimal atau implisit terhadap gg.

Sebagai hasil sederhana pertama, kita menunjukkan bahwa titik tetap metode gradien proksimal tepat sama dengan titik optimal.

Untuk suatu τ>0\tau>0 yang tetap dan xdx\in\mathbb{R}^d, pernyataan berikut ekuivalen: x=proxτg(xτf(x))0(f+g)(x).\begin{equation} x=\operatorname{prox}_{\tau g}\bigl(x-\tau\nabla f(x)\bigr) \quad\Longleftrightarrow\quad 0\in\partial(f+g)(x). \end{equation} Dengan demikian, xx adalah titik tetap jika dan hanya jika xx menyelesaikan [proximal:eq:composite].

Proof. Karakterisasi optimalitas proks memberikan ekuivalensi x=proxτg(xτf(x))0τf(x)+τg(x).\begin{equation} x=\operatorname{prox}_{\tau g}\bigl(x-\tau\nabla f(x)\bigr) \quad\Longleftrightarrow\quad 0\in\tau\nabla f(x)+\tau\partial g(x). \end{equation} Karena τ>0\tau>0, serta menurut aturan jumlah dan aturan skala untuk subdiferensial, 0τ(f(x)+g(x))0(f+g)(x).\begin{equation} 0\in\tau\bigl(\nabla f(x)+\partial g(x)\bigr) \quad\Longleftrightarrow\quad 0\in\partial(f+g)(x). \end{equation} Untuk fungsi konveks F=f+gF=f+g, kondisi terakhir ekuivalen dengan optimalitas xx. ◻

Selain proks, kita mendefinisikan selubung Moreau sebagai nilai infimum dari objektif yang digunakan untuk proks.

Misalkan f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] dan τ>0\tau>0. Selubung Moreau Mfτ:d[,]M_f^\tau:\mathbb{R}^d\rightarrow[-\infty,\infty] didefinisikan oleh Mfτ(x)infyd12τxy2+f(y).\begin{equation} M_f^\tau(x)\coloneqq\inf_{y\in\mathbb{R}^d}\frac{1}{2\tau}\|x-y\|^2+f(y). \end{equation}

Misalkan f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, konveks, dan semikontinu bawah, serta τ>0\tau>0. Selubung Moreau selalu bernilai real (yakni berhingga), dan Mfτ(x)=12τxproxτf(x)2+f(proxτf(x)).\begin{equation} M_f^\tau(x) =\frac{1}{2\tau}\bigl\|x-\operatorname{prox}_{\tau f}(x)\bigr\|^2 +f\bigl(\operatorname{prox}_{\tau f}(x)\bigr). \end{equation}

Proof. Latihan. Terapkan lemma keberadaan dan keunikan proks pada τf\tau f, lalu substitusikan peminim unik tersebut ke dalam definisi infimum. ◻

Kita tinjau beberapa contoh pemetaan proksimal dan selubung Moreau yang sering muncul:

  1. Misalkan CdC\subset\mathbb{R}^d tak kosong, tertutup, dan konveks, dan perhatikan fungsi indikator δC\delta_C. Maka proxτδC(x)=projC(x),MδCτ(x)=12τdist(x,C)2.\begin{equation} \operatorname{prox}_{\tau\delta_C}(x)=\operatorname{proj}_C(x), \qquad M_{\delta_C}^{\tau}(x)=\frac{1}{2\tau}\operatorname{dist}(x,C)^2. \end{equation}

  2. Secara khusus, jika C={xdx1}C=\{x\in\mathbb{R}^d\mid\|x\|_\infty\leq1\}, maka (proxτδC(x))i=ximax{1,|xi|}.\begin{equation} \bigl(\operatorname{prox}_{\tau\delta_C}(x)\bigr)_i =\frac{x_i}{\max\{1,|x_i|\}}. \end{equation}

  3. Jika f(x)=x1f(x)=\|x\|_1, pemetaan proksimalnya adalah operator ambang lunak (proxτf(x))i={xiτxi>τ,xi+τxi<τ,0xi[τ,τ].\begin{equation} \bigl(\operatorname{prox}_{\tau f}(x)\bigr)_i= \begin{cases} x_i-\tau & x_i>\tau,\\ x_i+\tau & x_i<-\tau,\\ 0 & x_i\in[-\tau,\tau]. \end{cases} \end{equation} Untuk d=1d=1, selubung Moreau-nya tepat merupakan fungsi Huber M||τ(x)={|x|22τ|x|τ,|x|τ2|x|>τ.\begin{equation} M_{|\cdot|}^{\tau}(x)= \begin{cases} \dfrac{|x|^2}{2\tau} & |x|\leq\tau,\\ |x|-\dfrac{\tau}{2} & |x|>\tau. \end{cases} \end{equation}

Misalkan semua fungsi dasar yang muncul di bawah proper, semikontinu bawah, dan konveks pada domain berdimensi hingga yang dinyatakan. Aturan berikut berlaku:

  1. Jika x=(x1,,xm)d1××dmdx=(x_1,\dots,x_m)\in\mathbb{R}^{d_1}\times\cdots\times\mathbb{R}^{d_m}\cong\mathbb{R}^d, xidix_i\in\mathbb{R}^{d_i}, idi=d\sum_i d_i=d, dan f(x)=ifi(xi)f(x)=\sum_i f_i(x_i), maka proxf(x)=(proxfi(xi))i\operatorname{prox}_f(x)=\bigl(\operatorname{prox}_{f_i}(x_i)\bigr)_i.

  2. Jika f(x)=αg(x)+bf(x)=\alpha g(x)+b dengan α>0\alpha>0 dan bb\in\mathbb{R}, maka proxf=proxαg\operatorname{prox}_f=\operatorname{prox}_{\alpha g}.

  3. Jika f(x)=g(αx+b)f(x)=g(\alpha x+b) dengan α0\alpha\neq0 dan bdb\in\mathbb{R}^d, maka proxf(x)=α1(proxα2g(αx+b)b)\operatorname{prox}_f(x)=\alpha^{-1}\bigl(\operatorname{prox}_{\alpha^2g}(\alpha x+b)-b\bigr).

  4. Jika f(x)=g(Qx)f(x)=g(Qx) dengan Qd×dQ\in\mathbb{R}^{d\times d} ortogonal, maka proxf(x)=Qproxg(Qx)\operatorname{prox}_f(x)=Q^\top\operatorname{prox}_g(Qx).

  5. Jika f(x)=g(x)+a,x+bf(x)=g(x)+\left\langle a,x\right\rangle+b dengan ada\in\mathbb{R}^d dan bb\in\mathbb{R}, maka proxf(x)=proxg(xa)\operatorname{prox}_f(x)=\operatorname{prox}_g(x-a).

  6. Jika f(x)=g(x)+γ2xa2f(x)=g(x)+\frac{\gamma}{2}\|x-a\|^2 dengan ada\in\mathbb{R}^d dan γ0\gamma\geq0, maka proxf(x)=proxγ̃g(γ̃x+γγ̃a)\operatorname{prox}_f(x)=\operatorname{prox}_{\widetilde\gamma g}(\widetilde\gamma x+\gamma\widetilde\gamma a), dengan γ̃=(1+γ)1\widetilde\gamma=(1+\gamma)^{-1}.

Selubung Moreau memberikan efek penghalusan pada fungsi ff, sebagaimana ditunjukkan oleh hasil berikut.

Misalkan f:d(,]f:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, konveks, dan semikontinu bawah, serta τ>0\tau>0. Selubung Moreau bersifat konveks dan terdiferensialkan. Gradiennya 1/τ1/\tau-Lipschitz dan dapat ditulis sebagai Mfτ(x)=1τ(xproxτf(x)).\begin{equation} \nabla M_f^\tau(x)=\frac{1}{\tau}\bigl(x-\operatorname{prox}_{\tau f}(x)\bigr). \end{equation}

Proof. Untuk q(x,y)=12τxy2+f(y)q(x,y)=\frac{1}{2\tau}\|x-y\|^2+f(y), fungsi qq konveks secara bersama pada (x,y)(x,y). Jika pi=proxτf(xi)p_i=\operatorname{prox}_{\tau f}(x_i) dan t[0,1]t\in[0,1], evaluasi qq di (tx1+(1t)x2,tp1+(1t)p2)\bigl(tx_1+(1-t)x_2,tp_1+(1-t)p_2\bigr) menunjukkan bahwa Mfτ(tx1+(1t)x2)tMfτ(x1)+(1t)Mfτ(x2)M_f^\tau(tx_1+(1-t)x_2)\leq tM_f^\tau(x_1)+(1-t)M_f^\tau(x_2). Jadi, argumen ini tetap sah untuk fungsi ff bernilai diperluas.

Tetapkan p(x)=proxτf(x)p(x)=\operatorname{prox}_{\tau f}(x). Dari definisi proks, Mfτ(x+h)=12τx+hp(x+h)2+f(p(x+h))12τx+hp(x)2+f(p(x)),Mfτ(x)=12τxp(x)2+f(p(x)).\begin{equation} \begin{aligned} M_f^\tau(x+h) =&\frac{1}{2\tau}\|x+h-p(x+h)\|^2+f(p(x+h))\\ \leq&\frac{1}{2\tau}\|x+h-p(x)\|^2+f(p(x)),\\ M_f^\tau(x) =&\frac{1}{2\tau}\|x-p(x)\|^2+f(p(x)). \end{aligned} \end{equation} Dengan mengurangkan dua hubungan itu, kita memperoleh Mfτ(x+h)Mfτ(x)12τ(x+hp(x)2xp(x)2)=h,1τ(xp(x))+12τh2.\begin{equation} \begin{aligned} M_f^\tau(x+h)-M_f^\tau(x) \leq&\frac{1}{2\tau}\bigl(\|x+h-p(x)\|^2-\|x-p(x)\|^2\bigr)\\ =&\left\langle h,\frac{1}{\tau}(x-p(x))\right\rangle +\frac{1}{2\tau}\|h\|^2. \end{aligned} \end{equation} Secara ekuivalen, Mfτ(x+h)Mfτ(x)h,1τ(xp(x))12τh2.\begin{equation} \begin{aligned} M_f^\tau(x+h)-M_f^\tau(x) -\left\langle h,\frac{1}{\tau}(x-p(x))\right\rangle \leq&\frac{1}{2\tau}\|h\|^2. \end{aligned} \end{equation} Definisikan residu keterdiferensialan rx(h)Mfτ(x+h)Mfτ(x)h,1τ(xp(x)).\begin{equation} \label{proximal:eq:moreau_diff} r_x(h)\coloneqq M_f^\tau(x+h)-M_f^\tau(x) -\left\langle h,\frac{1}{\tau}(x-p(x))\right\rangle. \end{equation} Kurangkan dua kondisi optimalitas proks, lalu gunakan monotonisitas f\partial f dan ketaksamaan Cauchy–Schwarz. Hasilnya ialah p(x)p(y)xy\|p(x)-p(y)\|\leq\|x-y\|, sehingga pp tak ekspansif. Dengan mengevaluasi Mfτ(x)M_f^\tau(x) pada p(x+h)p(x+h), kita juga mendapatkan rx(h)h,1τ(p(x)p(x+h))+12τh212τh2.\begin{equation} r_x(h) \geq\left\langle h,\frac{1}{\tau}\bigl(p(x)-p(x+h)\bigr)\right\rangle +\frac{1}{2\tau}\|h\|^2 \geq-\frac{1}{2\tau}\|h\|^2. \end{equation} Secara keseluruhan, |Mfτ(x+h)Mfτ(x)h,1τ(xp(x))|12τh2.\begin{equation} \begin{aligned} \left|M_f^\tau(x+h)-M_f^\tau(x) -\left\langle h,\frac{1}{\tau}(x-p(x))\right\rangle\right| \leq&\frac{1}{2\tau}\|h\|^2. \end{aligned} \end{equation} Jadi, Mfτ(x)=τ1(xp(x))\nabla M_f^\tau(x)=\tau^{-1}(x-p(x)). Untuk membuktikan kekontinuan Lipschitz gradien, perhatikan bahwa Mfτ(x)Mfτ(y)2=1τMfτ(x)Mfτ(y),(xp(x))(yp(y))=1τMfτ(x)Mfτ(y),xy1τMfτ(x)Mfτ(y),p(x)p(y).\begin{equation} \label{proximal:eq:moreau_diff2} \begin{aligned} \|\nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y)\|^2 =&\frac{1}{\tau} \left\langle \nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y),(x-p(x))-(y-p(y))\right\rangle\\ =&\frac{1}{\tau} \left\langle \nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y),x-y\right\rangle\\ &-\frac{1}{\tau} \left\langle \nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y),p(x)-p(y)\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Kondisi optimalitas memberi Mfτ(x)=τ1(xp(x))f(p(x))\nabla M_f^\tau(x)=\tau^{-1}(x-p(x))\in\partial f(p(x)). Karena itu, hasil kali dalam terakhir tidak negatif menurut monotonisitas subdiferensial, sehingga Mfτ(x)Mfτ(y)21τMfτ(x)Mfτ(y),xy1τMfτ(x)Mfτ(y)xy.\begin{equation} \label{proximal:eq:moreau_diff2_bound} \begin{aligned} \|\nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y)\|^2 \leq&\frac{1}{\tau} \left\langle \nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y),x-y\right\rangle\\ \leq&\frac{1}{\tau} \|\nabla M_f^\tau(x)-\nabla M_f^\tau(y)\|\,\|x-y\|. \end{aligned} \end{equation} Setelah membagi dengan norma gradien yang berbeda dari nol (kasus nol langsung), diperoleh sifat 1/τ1/\tau-Lipschitz. ◻

Dengan representasi gradien selubung Moreau di atas, proks dapat ditulis kembali sebagai proxτf(x)=xτ(1τ(xproxτf(x)))=xτMfτ(x).\begin{equation} \operatorname{prox}_{\tau f}(x) =x-\tau\biggl(\frac{1}{\tau}\bigl(x-\operatorname{prox}_{\tau f}(x)\bigr)\biggr) =x-\tau\nabla M_f^\tau(x). \end{equation} Jadi, satu langkah proksimal ekuivalen dengan satu langkah gradien pada selubung Moreau.

Untuk fungsi indikator himpunan tak kosong, tertutup, dan konveks CC, rumusnya adalah proxτδC(x)=projC(x)\operatorname{prox}_{\tau\delta_C}(x)=\operatorname{proj}_C(x). Untuk f(x)=x1f(x)=\|x\|_1, setiap koordinat diberikan oleh ambang lunak (proxτf(x))i=sign(xi)max{|xi|τ,0}(\operatorname{prox}_{\tau f}(x))_i=\operatorname{sign}(x_i)\max\{|x_i|-\tau,0\}, dengan sign(0)=0\operatorname{sign}(0)=0. Untuk f(x)=x2f(x)=\|x\|_2, penyusutan Euklides adalah proxτf(x)=(1τ/x2)+x\operatorname{prox}_{\tau f}(x)=(1-\tau/\|x\|_2)_+x jika x0x\neq0, dan proxτf(0)=0\operatorname{prox}_{\tau f}(0)=0. Verifikasikan ketiga rumus ini langsung dari kondisi optimalitas proks.

Sekarang kita akan membuktikan konvergensi metode gradien proksimal. Mula-mula kita turunkan lemma penting: untuk fungsi LL-halus, galat antara fungsi dan hampiran linearnya dibatasi dari atas oleh suku kuadrat.

Misalkan F:dF:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} terdiferensialkan kontinu dan gradiennya LL-Lipschitz. Maka F(y)F(x)+F(x),yx+L2yx2.\begin{equation} F(y)\leq F(x)+\left\langle \nabla F(x),y-x\right\rangle+\frac{L}{2}\|y-x\|^2. \end{equation}

Proof. Dari teorema dasar kalkulus dan sifat LL-halus, kita mempunyai F(y)F(x)=01ddtF(x+t(yx))dt=01F(x+t(yx)),yxdt=01F(x+t(yx))F(x),yxdt+01F(x),yxdt01Ltyx2dt+F(x),yx=L2yx2+F(x),yx.\begin{equation} \begin{aligned} F(y)-F(x) =&\int_0^1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}F(x+t(y-x))\mathrm{d}t\\ =&\int_0^1\left\langle \nabla F(x+t(y-x)),y-x\right\rangle\mathrm{d}t\\ =&\int_0^1\left\langle \nabla F(x+t(y-x))-\nabla F(x),y-x\right\rangle\mathrm{d}t +\int_0^1\left\langle \nabla F(x),y-x\right\rangle\mathrm{d}t\\ \leq&\int_0^1Lt\|y-x\|^2\mathrm{d}t+\left\langle \nabla F(x),y-x\right\rangle\\ =&\frac{L}{2}\|y-x\|^2+\left\langle \nabla F(x),y-x\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} ◻

Untuk bukti konvergensi metode gradien proksimal, bagi τ>0\tau>0 kita perkenalkan notasi Tτ(x)=1τ(xproxτg(xτf(x))).\begin{equation} T_\tau(x)=\frac{1}{\tau}\bigl(x-\operatorname{prox}_{\tau g}(x-\tau\nabla f(x))\bigr). \end{equation} Dengan fungsi ini, pembaruan gradien proksimal dapat ditulis sebagai xk+1=xkτkTτk(xk).\begin{equation} x_{k+1}=x_k-\tau_kT_{\tau_k}(x_k). \end{equation}

Misalkan f:df:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} konveks dan LL-halus dengan L>0L>0, serta g:d(,]g:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, semikontinu bawah, dan konveks. Andaikan argminxF(x)\arg\min_xF(x)\neq\emptyset dan terdapat τmin>0\tau_{\min}>0 sedemikian sehingga 0<τminτkL10<\tau_{\min}\leq\tau_k\leq L^{-1} untuk semua kk. Untuk setiap x*argminxF(x)x^*\in\arg\min_xF(x), algoritma gradien proksimal memenuhi F(xn)F(x*)x0x*22τminn(n1).\begin{equation} F(x_n)-F(x^*)\leq\frac{\|x_0-x^*\|^2}{2\tau_{\min}n} \qquad(n\geq1). \end{equation} Selain itu, xkx_k berkonvergensi menuju suatu x̂argminxF(x)\hat x\in\arg\min_xF(x).

Proof. Dari definisi TτT_\tau, kita mempunyai Tτk(xk)f(xk)g(xkτkTτk(xk))=g(xk+1).\begin{equation} T_{\tau_k}(x_k)-\nabla f(x_k) \in\partial g\bigl(x_k-\tau_kT_{\tau_k}(x_k)\bigr) =\partial g(x_{k+1}). \end{equation} Dengan memakai hubungan ini, kekonveksan ff, Lemma [proximal_gradient:lemma:Lsmoothness], dan τkL1\tau_k\leq L^{-1}, untuk setiap zdz\in\mathbb{R}^d diperoleh F(xk+1)f(xk)τkf(xk),Tτk(xk)+τk2Tτk(xk)2+g(z)Tτk(xk)f(xk),z(xkτkTτk(xk))f(z)+g(z)f(xk),zxkτkf(xk),Tτk(xk)+τk2Tτk(xk)2Tτk(xk)f(xk),z(xkτkTτk(xk))=F(z)Tτk(xk),zxkτk2Tτk(xk)2.\begin{equation} \begin{aligned} F(x_{k+1}) \leq& f(x_k)-\tau_k\left\langle \nabla f(x_k),T_{\tau_k}(x_k)\right\rangle +\frac{\tau_k}{2}\|T_{\tau_k}(x_k)\|^2\\ &+g(z)-\left\langle T_{\tau_k}(x_k)-\nabla f(x_k),z-\bigl(x_k-\tau_kT_{\tau_k}(x_k)\bigr)\right\rangle\\ \leq& f(z)+g(z)-\left\langle \nabla f(x_k),z-x_k\right\rangle -\tau_k\left\langle \nabla f(x_k),T_{\tau_k}(x_k)\right\rangle +\frac{\tau_k}{2}\|T_{\tau_k}(x_k)\|^2\\ &-\left\langle T_{\tau_k}(x_k)-\nabla f(x_k),z-\bigl(x_k-\tau_kT_{\tau_k}(x_k)\bigr)\right\rangle\\ =&F(z)-\left\langle T_{\tau_k}(x_k),z-x_k\right\rangle -\frac{\tau_k}{2}\|T_{\tau_k}(x_k)\|^2. \end{aligned} \end{equation} Dengan mengambil z=xkz=x_k, kita memperoleh F(xk+1)F(xk)τk2Tτk(xk)2.\begin{equation} F(x_{k+1})\leq F(x_k) -\frac{\tau_k}{2}\|T_{\tau_k}(x_k)\|^2. \end{equation} Jadi, nilai objektif tidak meningkat dan turun ketat kecuali jika Tτk(xk)=0T_{\tau_k}(x_k)=0; menurut lemma titik tetap, kasus terakhir berarti xkx_k optimal. Di sisi lain, ambil z=x*z=x^* dan gunakan Tτk(xk)=τk1(xkxk+1)T_{\tau_k}(x_k)=\tau_k^{-1}(x_k-x_{k+1}). Maka 0F(xk+1)F(x*)Tτk(xk),xkx*τk2Tτk(xk)2=12τk(2xkxk+1,xkx*xkxk+12)=12τk(xkx*2xk+1x*2).\begin{equation} \begin{aligned} 0\leq F(x_{k+1})-F(x^*) \leq&\left\langle T_{\tau_k}(x_k),x_k-x^*\right\rangle -\frac{\tau_k}{2}\|T_{\tau_k}(x_k)\|^2\\ =&\frac{1}{2\tau_k} \left(2\left\langle x_k-x_{k+1},x_k-x^*\right\rangle -\|x_k-x_{k+1}\|^2\right)\\ =&\frac{1}{2\tau_k} \left(\|x_k-x^*\|^2-\|x_{k+1}-x^*\|^2\right). \end{aligned} \end{equation} Khususnya, xkx*2xk+1x*20\|x_k-x^*\|^2-\|x_{k+1}-x^*\|^2\geq0, sehingga jarak ke setiap peminim tidak meningkat. Dengan menjumlahkan untuk k=0,,n1k=0,\dots,n-1, kita memperoleh k=0n1(F(xk+1)F(x*))k=0n112τk(xkx*2xk+1x*2)12τmink=0n1(xkx*2xk+1x*2)=12τmin(x0x*2xnx*2).\begin{equation} \begin{aligned} \sum_{k=0}^{n-1}\bigl(F(x_{k+1})-F(x^*)\bigr) \leq&\sum_{k=0}^{n-1}\frac{1}{2\tau_k} \left(\|x_k-x^*\|^2-\|x_{k+1}-x^*\|^2\right)\\ \leq&\frac{1}{2\tau_{\min}}\sum_{k=0}^{n-1} \left(\|x_k-x^*\|^2-\|x_{k+1}-x^*\|^2\right)\\ =&\frac{1}{2\tau_{\min}} \left(\|x_0-x^*\|^2-\|x_n-x^*\|^2\right). \end{aligned} \end{equation} Karena F(xk)F(x*)F(x_k)-F(x^*) juga tidak meningkat, n(F(xn)F(x*))k=0n1(F(xk+1)F(x*))x0x*22τmin.\begin{equation} n\bigl(F(x_n)-F(x^*)\bigr) \leq\sum_{k=0}^{n-1}\bigl(F(x_{k+1})-F(x^*)\bigr) \leq\frac{\|x_0-x^*\|^2}{2\tau_{\min}}. \end{equation} Jadi, F(xn)F(x*)x0x*22τminn.\begin{equation} F(x_n)-F(x^*)\leq \frac{\|x_0-x^*\|^2}{2\tau_{\min}n}. \end{equation} Terakhir, kita buktikan konvergensi (xk)k(x_k)_k. Perhitungan di atas menunjukkan bahwa xkx*\|x_k-x^*\| tidak meningkat untuk setiap peminim x*x^*. Dengan demikian, (xk)k(x_k)_k terbatas dan, di ruang berdimensi hingga, mempunyai subbarisan konvergen. Misalkan x̂=limjxn(j)\hat x=\lim_jx_{n(j)} adalah suatu titik akumulasi. Karena F(xk)minFF(x_k)\rightarrow\min F dan F=f+gF=f+g semikontinu bawah, F(x̂)liminfjF(xn(j))=limkF(xk)=minF.F(\hat x)\leq\liminf_jF(x_{n(j)})=\lim_kF(x_k)=\min F. Jadi, x̂\hat x adalah peminim dan xkx̂\|x_k-\hat x\| tidak meningkat. Karena itu, terdapat c0c\geq0 dengan xkx̂c\|x_k-\hat x\|\rightarrow c. Namun, c=limkxkx̂=limjxn(j)x̂=0.\begin{equation} c=\lim_k\|x_k-\hat x\| =\lim_j\|x_{n(j)}-\hat x\|=0. \end{equation} Maka seluruh barisan berkonvergensi ke x̂\hat x, dan bukti selesai. ◻

Akselerasi

Untuk setiap L>0L>0, titik awal x0dx_0\in\mathbb{R}^d, bilangan bulat k1k\geq1, dan d2k+1d\geq2k+1, serta untuk setiap metode orde pertama yang iterasinya memenuhi xkx0+span{f(x0),,f(xk1)}\begin{equation} x_k\in x_0+\mathrm{span}\{\nabla f(x_0),\dots,\nabla f(x_{k-1})\} \end{equation} terdapat fungsi konveks f:df:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} yang bergradien LL-Lipschitz dan mempunyai peminim x*x^*, sedemikian sehingga f(xk)f(x*)3Lx0x*232(k+1)2.\begin{equation} f(x_k)-f(x^*)\geq\frac{3L\|x_0-x^*\|^2}{32(k+1)^2}. \end{equation} Perhatikan bahwa sejauh ini kita belum memperoleh laju konvergensi yang lebih baik daripada 𝒪(1/k)\mathcal{O}(1/k). Menutup kesenjangan menuju 𝒪(1/k2)\mathcal{O}(1/k^2) merupakan tujuan bab ini.

Metode bola berat Polyak

Penurunan gradien untuk meminimumkan masalah tak berkendala minxf(x)\begin{equation} \min_x f(x) \end{equation} dapat ditafsirkan sebagai diskretisasi dari aliran gradien ẋ=f(x).\begin{equation} \dot x=-\nabla f(x). \end{equation} Jika fungsi ff ditafsirkan sebagai potensial, maka f-\nabla f merupakan gaya yang ditimbulkan potensial tersebut pada sebuah partikel bermassa satu. Secara alami kita dapat menambahkan gesekan ke dalam model ini. Gaya gesek biasanya dimodelkan sebanding dengan kecepatan, sehingga diperoleh ẍ=γẋf(x).\begin{equation} \label{acceleration:eq:friction_ode} \ddot x=-\gamma\dot x-\nabla f(x). \end{equation} Kita mendiskretkan persamaan diferensial biasa ini melalui ẋ(t)x(t)x(th)h\dot x(t)\approx\frac{x(t)-x(t-h)}{h} dan ẍ(t)ẋ(t+h)ẋ(t)hx(t+h)2x(t)+x(th)h2.\begin{equation} \ddot x(t) \approx\frac{\dot x(t+h)-\dot x(t)}{h} \approx\frac{x(t+h)-2x(t)+x(t-h)}{h^2}. \end{equation} Dengan menamai x(th)=xk1x(t-h)=x_{k-1}, x(t)=xkx(t)=x_k, dan x(t+h)=xk+1x(t+h)=x_{k+1}, substitusi ke dalam [acceleration:eq:friction_ode] memberikan xk+12xk+xk1=hγ(xkxk1)h2f(xk).\begin{equation} x_{k+1}-2x_k+x_{k-1} =-h\gamma(x_k-x_{k-1})-h^2\nabla f(x_k). \end{equation} Setelah ditata ulang, pembaruannya menjadi xk+1=xk+(1γh)(xkxk1)h2f(xk).\begin{equation} x_{k+1}=x_k+(1-\gamma h)(x_k-x_{k-1})-h^2\nabla f(x_k). \end{equation} Dengan menamai ulang konstanta dan mengizinkannya bergantung pada iterasi, kita sampai pada metode bola berat Polyak xk+1=xk+βk(xkxk1)τkf(xk).\begin{equation} x_{k+1}=x_k+\beta_k(x_k-x_{k-1})-\tau_k\nabla f(x_k). \end{equation} Bahkan tanpa penurunan dari sudut pandang persamaan diferensial, aturan pembaruan ini cukup intuitif: selain arah penurunan bagi ff, pembaruan tersebut memuat suku inersia yang menambahkan komponen searah dengan langkah sebelumnya.

Bukti konvergensi metode bola berat akan memakai hasil dasar aljabar linear berikut, yang disertakan demi kelengkapan.

Untuk setiap Ad×dA\in\mathbb{R}^{d\times d}, dengan \|\cdot\| norma operator yang diinduksi oleh norma Euclidean, berlaku limnAn1/n=ρ(A)\lim_{n\rightarrow\infty}\|A^n\|^{1/n}=\rho(A), dengan ρ(A)=maxi|λi(A)|\begin{equation} \rho(A)=\max_i|\lambda_i(A)| \end{equation} dan λi(A)\lambda_i(A) nilai eigen AA. Kesimpulan yang sama berlaku bagi setiap norma matriks yang kompatibel, karena semua norma pada ruang matriks berdimensi hingga ekuivalen.

Proof. Kompleksifikasikan AA ke operator pada d\mathbb{C}^d. Norma operator Euclidean untuk matriks real sama pada d\mathbb{R}^d dan d\mathbb{C}^d. Ambil nilai eigen kompleks λ\lambda dengan |λ|=ρ(A)|\lambda|=\rho(A) serta vektor eigennya vdv\in\mathbb{C}^d yang dinormalisasi. Maka An1/nAnv1/n=|λ|=ρ(A),\begin{equation} \|A^n\|^{1/n}\geq\|A^nv\|^{1/n}=|\lambda|=\rho(A), \end{equation} sehingga liminfnAn1/nρ(A)\liminf_{n\rightarrow\infty}\|A^n\|^{1/n}\geq\rho(A).

Untuk ketaksamaan sebaliknya, gunakan bentuk normal Jordan kompleks A=BDB1.\begin{equation} A=BDB^{-1}. \end{equation} Setelah blok-blok Jordan diurutkan, matriks DD dapat ditulis sebagai D=(λ1ε10λ2ε2λd1εd10λd),\begin{equation} D=\begin{pmatrix} \lambda_1&\varepsilon_1&\dots&\dots&\\ 0&\lambda_2&\varepsilon_2&\dots&\\ &&\ddots&\ddots&\\ &&\dots&\lambda_{d-1}&\varepsilon_{d-1}\\ &&&0&\lambda_d \end{pmatrix}, \end{equation} dengan εi{0,1}\varepsilon_i\in\{0,1\}, dan εi=1\varepsilon_i=1 hanya jika posisi ii dan i+1i+1 berada dalam blok Jordan yang sama sehingga λi=λi+1\lambda_i=\lambda_{i+1}. Tuliskan D=Λ+ND=\Lambda+N, dengan Λ\Lambda diagonal dan NN bagian nilpoten. Kedua matriks ini komutatif. Jika ukuran blok Jordan terbesar adalah mm, maka Nm=0N^m=0. Untuk ρ(A)>0\rho(A)>0 dan nm1n\geq m-1, ekspansi binomial memberi Dn=j=0m1(nj)ΛnjNjj=0m1(nj)ΛnjNjCρnm1ρ(A)nm+1,\begin{equation} \begin{aligned} \|D^n\| &=\left\|\sum_{j=0}^{m-1} \begin{pmatrix} n\\ j \end{pmatrix}\Lambda^{n-j}N^j\right\|\\ &\leq\sum_{j=0}^{m-1} \begin{pmatrix} n\\ j \end{pmatrix}\|\Lambda^{n-j}\|\,\|N^j\|\\ &\leq C_{\rho}\,n^{m-1}\rho(A)^{\,n-m+1}, \end{aligned} \end{equation} untuk suatu konstanta Cρ>0C_{\rho}>0 yang tidak bergantung pada nn. Jika ρ(A)=0\rho(A)=0, semua elemen diagonal nol, sehingga D=ND=N dan Dn=0D^n=0 bagi nmn\geq m; jadi kesimpulan langsung berlaku. Untuk ρ(A)>0\rho(A)>0, batas di atas menghasilkan Dn1/nCρ1/nn(m1)/nρ(A)1(m1)/n.\begin{equation} \begin{aligned} \|D^n\|^{1/n} \leq C_{\rho}^{1/n}n^{(m-1)/n} \rho(A)^{\,1-(m-1)/n}. \end{aligned} \end{equation} Karena Cρ1/n1C_{\rho}^{1/n}\rightarrow1, n1/n1n^{1/n}\rightarrow1, dan ρ(A)(m1)/n1\rho(A)^{-(m-1)/n}\rightarrow1, kita memperoleh limsupnDn1/nρ(A).\begin{equation} \begin{aligned} \limsup_{n\rightarrow\infty}\|D^n\|^{1/n} \leq\rho(A). \end{aligned} \end{equation} Akhirnya, limsupnAn1/n=limsupnBDnB11/nlimsupnB1/nDn1/nB11/nρ(A),\begin{equation} \limsup_{n\rightarrow\infty}\|A^n\|^{1/n} =\limsup_{n\rightarrow\infty}\|BD^nB^{-1}\|^{1/n} \leq\limsup_{n\rightarrow\infty} \|B\|^{1/n}\|D^n\|^{1/n}\|B^{-1}\|^{1/n} \leq\rho(A), \end{equation} yang, bersama batas bawah, membuktikan hasilnya. ◻

Berlaku limkAk=0\lim_{k\rightarrow\infty}A^k=0 jika dan hanya jika ρ(A)<1\rho(A)<1. Selain itu, dalam hal ini, untuk setiap ϵ>0\epsilon>0 terdapat c(ϵ)>0c(\epsilon)>0 sedemikian sehingga Akc(ϵ)(ρ(A)+ϵ)k\|A^k\|\leq c(\epsilon)(\rho(A)+\epsilon)^k.

Proof. Jika Ak0A^k\rightarrow0, maka untuk setiap pasangan eigen kompleks (λ,v)(\lambda,v) berlaku Akv=λkv0A^kv=\lambda^kv\rightarrow0; akibatnya |λ|<1|\lambda|<1 dan ρ(A)<1\rho(A)<1. Sebaliknya, jika ρ(A)<1\rho(A)<1, pilih 0<ϵ0<1ρ(A)0<\epsilon_0<1-\rho(A). Berdasarkan [acceleration:lemma:spectral_radius], terdapat nn sedemikian sehingga untuk knk\geq n, Ak(ρ(A)+ϵ0)k,\begin{equation} \|A^k\|\leq(\rho(A)+\epsilon_0)^k, \end{equation} yang menuju nol. Untuk pernyataan kuantitatif dan sembarang ϵ>0\epsilon>0, [acceleration:lemma:spectral_radius] memberikan batas tersebut untuk semua kk yang cukup besar. Dengan memperbesar konstanta untuk indeks awal yang berhingga banyaknya, kita dapat memilih c(ϵ)max0k<nAk(ρ(A)+ϵ)k,\begin{equation} c(\epsilon)\geq \max_{0\leq k<n} \frac{\|A^k\|}{(\rho(A)+\epsilon)^k}, \end{equation} sehingga batas berlaku bagi setiap k0k\geq0. ◻

Sekarang kita dapat membuktikan konvergensi metode bola berat. Tekniknya baku: kita menganalisis nilai eigen linearisasi aturan pembaruan.

Misalkan fC2(U)f\in C^2(U) pada suatu lingkungan UdU\subset\mathbb{R}^d dari peminim stasioner lokal x*x^*, dengan f(x*)=0,0<μL,μId2f(x*)LId,0β<1,0<τ<2(1+β)L.\begin{equation} \nabla f(x^*)=0,\qquad 0<\mu\leq L,\qquad \mu\operatorname{Id}\preceq\nabla^2f(x^*)\preceq L\operatorname{Id}, \qquad 0\leq\beta<1,\quad 0<\tau<\frac{2(1+\beta)}{L}. \end{equation} Gunakan parameter konstan βk=β\beta_k=\beta dan τk=τ\tau_k=\tau. Terdapat ε>0\varepsilon>0 sedemikian sehingga, jika x0,x1Bε(x*)x_0,x_1\in B_\varepsilon(x^*), maka xkx*x_k\rightarrow x^*. Lebih khusus, dengan q=ρ()<1,xkx*c(δ)(q+δ)k1(x1x*,x0x*)\begin{equation} q=\rho(\mathcal{H})<1,\qquad \|x_k-x^*\|\leq c(\delta)(q+\delta)^{k-1} \|(x_1-x^*,x_0-x^*)\| \end{equation} untuk setiap 0<δ<1q0<\delta<1-q. Jika yang diketahui tentang kurvatur hanya selang [μ,L][\mu,L], parameter yang meminimumkan radius spektral kasus terburuk dari model kuadratik atau linearisasi lokal adalah qwc=LμL+μ,τ=4(L+μ)2,β=(LμL+μ)2.\begin{equation} q_{\mathrm{wc}}= \frac{\sqrt{L}-\sqrt{\mu}}{\sqrt{L}+\sqrt{\mu}}, \qquad \tau=\frac{4}{(\sqrt{L}+\sqrt{\mu})^2}, \qquad \beta= \left(\frac{\sqrt{L}-\sqrt{\mu}} {\sqrt{L}+\sqrt{\mu}}\right)^2. \end{equation}

Proof. Tetapkan uk=xkx*u_k=x_k-x^*. Karena f(x*)=0\nabla f(x^*)=0, rekursi kedalaman dua dapat ditulis tepat sebagai [uk+1uk]=[(1+β)ukβuk1τ(f(x*+uk)f(x*))uk]=((1+β)IdβIdId0)[ukuk1]τ(f(x*+uk)f(x*),0).\begin{equation} \begin{aligned} \begin{bmatrix} u_{k+1}\\ u_k \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} (1+\beta)u_k-\beta u_{k-1} -\tau\bigl(\nabla f(x^*+u_k)-\nabla f(x^*)\bigr)\\ u_k \end{bmatrix}\\ &= \begin{pmatrix} (1+\beta)\operatorname{Id}&-\beta\operatorname{Id}\\ \operatorname{Id}&0 \end{pmatrix} \begin{bmatrix} u_k\\ u_{k-1} \end{bmatrix} -\tau\bigl(\nabla f(x^*+u_k)-\nabla f(x^*),0\bigr). \end{aligned} \end{equation} Untuk menyiapkan linearisasi, definisikan vektor keadaan dan matriks linear sk[ukuk1],((1+β)Idτ2f(x*)βIdId0),sk+1[uk+1uk].\begin{equation} \begin{aligned} s_k&\coloneqq \begin{bmatrix} u_k\\ u_{k-1} \end{bmatrix}, \qquad \mathcal{H}&\coloneqq \begin{pmatrix} (1+\beta)\operatorname{Id}-\tau\nabla^2f(x^*)&-\beta\operatorname{Id}\\ \operatorname{Id}&0 \end{pmatrix}, \qquad s_{k+1}\coloneqq \begin{bmatrix} u_{k+1}\\ u_k \end{bmatrix}. \end{aligned} \end{equation} Teorema dasar kalkulus memberikan f(x*+uk)f(x*)=012f(x*+tuk)ukdt=2f(x*)uk+rk,rk[01(2f(x*+tuk)2f(x*))dt]uk.\begin{equation} \begin{aligned} \nabla f(x^*+u_k)-\nabla f(x^*) &=\int_0^1\nabla^2f(x^*+tu_k)\,u_k\,\mathrm{d}t\\ &=\nabla^2f(x^*)u_k+r_k,\qquad r_k\coloneqq \left[\int_0^1 \bigl(\nabla^2f(x^*+tu_k)-\nabla^2f(x^*)\bigr)\mathrm{d}t\right]u_k. \end{aligned} \end{equation} Dengan demikian, rekursi keadaan yang tepat ialah [uk+1uk]=((1+β)Idτ2f(x*)βIdId0)[ukuk1]+[τrk0].\begin{equation} \begin{aligned} \begin{bmatrix} u_{k+1}\\ u_k \end{bmatrix} &= \underbrace{\begin{pmatrix} (1+\beta)\operatorname{Id}-\tau\nabla^2f(x^*)&-\beta\operatorname{Id}\\ \operatorname{Id}&0 \end{pmatrix}}_{\mathcal{H}} \begin{bmatrix} u_k\\ u_{k-1} \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} -\tau r_k\\ 0 \end{bmatrix}. \end{aligned} \end{equation} Kontinuitas Hessian menunjukkan rk=o(uk)r_k=o(\|u_k\|) ketika uk0u_k\rightarrow0.

Berdasarkan [acceleration:cor:spectral_radius], kita menganalisis nilai eigen \mathcal{H}. Jika (v,w)(v,w) merupakan vektor eigen dengan nilai eigen λ\lambda, maka {((1+β)Idτ2f(x*))vβw=λv,v=λw.\begin{equation} \begin{cases} \bigl((1+\beta)\operatorname{Id}-\tau\nabla^2f(x^*)\bigr)v-\beta w &=\lambda v,\\ v&=\lambda w. \end{cases} \end{equation} Dengan menghitung determinan blok, atau mengeliminasi relasi di atas tanpa pernah membagi dengan λ\lambda, setiap nilai eigen berkaitan dengan suatu η[μ,L]\eta\in[\mu,L] dan memenuhi pη(λ)λ2(1+βτη)λ+β=0.\begin{equation} p_\eta(\lambda) \coloneqq\lambda^2-(1+\beta-\tau\eta)\lambda+\beta=0. \end{equation} Jadi, dengan aη=1+βτηa_\eta=1+\beta-\tau\eta, penyempurnaan kuadrat memberikan (λaη2)2=(aη2)2β.\begin{equation} \label{acceleration:eq:heavy_ball1} \left(\lambda-\frac{a_\eta}{2}\right)^2 =\left(\frac{a_\eta}{2}\right)^2-\beta. \end{equation} Akar dalam [acceleration:eq:heavy_ball1] berada ketat di dalam lingkaran satuan jika dan hanya jika kriteria Schur–Jury untuk polinom monik kuadrat real berikut terpenuhi: |β|<1,1aη+β>0,1+aη+β>0,β<1,τη>0,τη<2(1+β).\begin{equation} |\beta|<1,\qquad 1-a_\eta+\beta>0,\qquad 1+a_\eta+\beta>0, \quad\Longleftrightarrow\quad \beta<1,\quad\tau\eta>0,\quad \tau\eta<2(1+\beta). \end{equation} Hipotesis teorema memenuhi syarat ini bagi semua η[μ,L]\eta\in[\mu,L], termasuk kasus β=0\beta=0; oleh sebab itu q=ρ()<1q=\rho(\mathcal{H})<1.

Ambil 0<δ<1q0<\delta<1-q. Terdapat norma ekuivalen δ\|\cdot\|_\delta pada 2d\mathbb{R}^{2d} yang norma operator terinduksinya memenuhi δq+δ/2\|\mathcal{H}\|_\delta\leq q+\delta/2. Karena r(u)=o(u)r(u)=o(\|u\|) dan semua norma berdimensi hingga ekuivalen, lingkungan x*x^* dapat diperkecil sehingga suku gangguan memenuhi batas yang diperlukan. Maka rekursi keadaan menghasilkan sk+1δδskδ+(τrk,0)δ(q+δ)skδ,skδ(q+δ)k1s1δ.\begin{equation} \|s_{k+1}\|_\delta \leq\|\mathcal{H}\|_\delta\|s_k\|_\delta +\|(-\tau r_k,0)\|_\delta \leq(q+\delta)\|s_k\|_\delta, \qquad \|s_k\|_\delta \leq(q+\delta)^{k-1}\|s_1\|_\delta. \end{equation} Dengan memilih x0,x1x_0,x_1 cukup dekat ke x*x^*, bola kecil yang digunakan di atas tetap invarian. Ekuivalensi norma lalu memberikan estimasi dalam pernyataan teorema dan konvergensi lokal.

Tinggal membuktikan optimalitas kasus terburuk yang dinyatakan. Kasus L=μL=\mu langsung: pilihan β=0\beta=0 dan τ=1/L\tau=1/L membuat aη=0a_\eta=0 dan kedua akar nol. Sekarang andaikan L>μL>\mu. Untuk setiap radius kasus terburuk yang diklaim r>0r>0, kasus r1r\geq1 tidak dapat memperbaiki laju yang akan diperoleh, jadi cukup tinjau 0<r<10<r<1. Terapkan kriteria Schur–Jury setelah penskalaan λ=rz\lambda=rz. Agar kedua akar setiap polinom pηp_\eta bermodulus paling besar rr, perlu 0βr20\leq\beta\leq r^2 dan |aμ|,|aL|R\lvert a_\mu\rvert,\lvert a_L\rvert\leq R, dengan Rr+β/rR\coloneqq r+\beta/r.

Tetapkan h=(Lμ)/(L+μ)h=(L-\mu)/(L+\mu). Karena LaμμaL=(Lμ)(1+β)L a_\mu-\mu a_L=(L-\mu)(1+\beta), kelayakan kedua titik ujung mengharuskan Rh(1+β)R\geq h(1+\beta). Selisih Rh(1+β)=rh+β(1/rh)R-h(1+\beta)=r-h+\beta(1/r-h) meningkat terhadap β\beta pada 0βr20\leq\beta\leq r^2, sebab 0<r<10<r<1 dan 0<h<10<h<1. Oleh karena itu, bahkan nilai maksimumnya harus tak negatif: 2rh(1+r2)02r-h(1+r^2)\geq0. Jadi 2rh(1+r2)2r\geq h(1+r^2), yang pada 0<r<10<r<1 ekuivalen dengan r(Lμ)/(L+μ)r\geq(\sqrt L-\sqrt\mu)/(\sqrt L+\sqrt\mu).

Kesamaan memaksa β=r2\beta=r^2 serta aμ=2ra_\mu=2r dan aL=2ra_L=-2r. Menyelesaikan kedua hubungan ujung tersebut menghasilkan 1+βτμ=2β,1+βτL=2ββ=qwc=LμL+μ,τ=4(L+μ)2.\begin{equation} \begin{aligned} 1+\beta-\tau\mu&=2\sqrt{\beta},\qquad 1+\beta-\tau L=-2\sqrt{\beta}\\ &\Longrightarrow\quad \sqrt{\beta}=q_{\mathrm{wc}} =\frac{\sqrt L-\sqrt\mu}{\sqrt L+\sqrt\mu}, \qquad \tau=\frac{4}{(\sqrt L+\sqrt\mu)^2}. \end{aligned} \end{equation} Dengan pilihan ini, aηa_\eta bergerak linear dari 2qwc2q_{\mathrm{wc}} ke 2qwc-2q_{\mathrm{wc}}, sehingga semua akar untuk η[μ,L]\eta\in[\mu,L] bermodulus paling besar qwcq_{\mathrm{wc}}. Batas bawah di atas membuktikan bahwa nilai maksimum tersebut tidak dapat diperkecil. Optimalitas ini merupakan optimalitas radius spektral kasus terburuk bagi fungsi kuadratik dan bagi model asimtotik lokal C2C^2, bukan jaminan konvergensi global bagi semua fungsi konveks mulus. ◻

Latihan verifikasi.

Verifikasikan kriteria Schur–Jury di atas langsung dari rumus akar, termasuk kasus β=0\beta=0, dan turunkan kembali parameter kasus terburuk dengan menyamakan perilaku pada η=μ\eta=\mu dan η=L\eta=L.

Akselerasi Nesterov

Metode Polyak optimal dalam arti radius spektral kasus terburuk bagi fungsi kuadratik konveks kuat, dan secara lokal bagi model C2C^2 di sekitar peminim. Akselerasi berikut mencapai laju orde optimal di bawah asumsi global yang lebih lemah. Kita kembali meninjau masalah minxdF(x)f(x)+g(x),\begin{equation} \min_{x\in\mathbb{R}^d}F(x)\coloneqq f(x)+g(x), \end{equation} dengan f:df:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} konveks, terdiferensialkan, dan bergradien LL-Lipschitz untuk L>0L>0, sedangkan g:d(,]g:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, semikontinu bawah, dan konveks. Andaikan argminF\arg\min F\neq\emptyset. Dengan x0=x1x_0=x_1, t1=1t_1=1, ukuran langkah tetap 0<τ1/L0<\tau\leq1/L, dan k=1,2,k=1,2,\dots, pembaruan fast iterative shrinkage-thresholding algorithm (FISTA, atau metode gradien proksimal cepat) ialah {tk+1=1+1+4tk22,βk=tk1tk+1,yk=xk+βk(xkxk1),xk+1=proxτg(ykτf(yk)).\begin{equation} \begin{cases} t_{k+1}&=\dfrac{1+\sqrt{1+4t_k^2}}{2},\\ \beta_k&=\dfrac{t_k-1}{t_{k+1}},\\ y_k&=x_k+\beta_k(x_k-x_{k-1}),\\ x_{k+1}&=\operatorname{prox}_{\tau g}\bigl(y_k-\tau\nabla f(y_k)\bigr). \end{cases} \end{equation} Jika g0g\equiv0, metode ini sangat mirip dengan algoritma bola berat. Namun, gradien kini dievaluasi setelah suku inersia ditambahkan, dan konvergensinya bergantung pada pemilihan adaptif parameter inersia yang cermat.

Tetapkan t1=1t_1=1. Maka tkk+12\begin{equation} t_k\geq\frac{k+1}{2} \end{equation} untuk setiap k1k\geq1.

Proof. Bukti mengikuti induksi langsung. Pernyataan benar untuk k=1k=1. Dengan memakai hipotesis induksi, kita memperoleh tk+1=1+1+4tk221+1+(k+1)22k+22.\begin{equation} t_{k+1} =\frac{1+\sqrt{1+4t_k^2}}{2} \geq\frac{1+\sqrt{1+(k+1)^2}}{2} \geq\frac{k+2}{2}. \end{equation} ◻

Definisikan Pτ(x)=proxτg(xτf(x)).\begin{equation} P_\tau(x)=\operatorname{prox}_{\tau g}\bigl(x-\tau\nabla f(x)\bigr). \end{equation} Di bawah hipotesis komposit di atas, untuk setiap x,ydx,y\in\mathbb{R}^d dan 0<τ1/L0<\tau\leq1/L, berlaku F(x)F(Pτ(y))12τxPτ(y)212τxy2+f(x,y),\begin{equation} F(x)-F(P_\tau(y)) \geq\frac{1}{2\tau}\|x-P_\tau(y)\|^2 -\frac{1}{2\tau}\|x-y\|^2+\ell_f(x,y), \end{equation} dengan f(x,y)=f(x)f(y)xy,f(y)\ell_f(x,y)=f(x)-f(y)-\langle x-y,\nabla f(y)\rangle.

Proof. Pertama, kita dapat menulis Pτ(y)=argminz12τz(yτf(y))2+g(z)=argminzf(y)+zy,f(y)+12τzy2+g(z).\begin{equation} \begin{aligned} P_\tau(y) &=\arg\min_z \frac{1}{2\tau}\|z-(y-\tau\nabla f(y))\|^2+g(z)\\ &=\arg\min_z f(y)+\langle z-y,\nabla f(y)\rangle +\frac{1}{2\tau}\|z-y\|^2+g(z). \end{aligned} \end{equation} Sebagai catatan, identitas ini menunjukkan bahwa metode gradien proksimal dapat ditafsirkan sebagai langkah proksimal terhadap gg ditambah pendekatan linear terhadap ff. Definisikan ϕ(z)=f(y)+zy,f(y)+12τzy2+g(z).\begin{equation} \phi(z)=f(y)+\langle z-y,\nabla f(y)\rangle +\frac{1}{2\tau}\|z-y\|^2+g(z). \end{equation} Karena gg konveks, ϕ\phi bersifat 1/τ1/\tau-konveks kuat. Oleh karena itu, ϕ(x)ϕ(Pτ(y))12τxPτ(y)2.\begin{equation} \phi(x)-\phi(P_\tau(y)) \geq\frac{1}{2\tau}\|x-P_\tau(y)\|^2. \end{equation} Lebih lanjut, karena ff konveks dan LL-halus serta 1/τL1/\tau\geq L, lema penurunan memberikan f(z)f(y)+zy,f(y)+L2zy2f(y)+zy,f(y)+12τzy2.\begin{equation} f(z)\leq f(y)+\langle z-y,\nabla f(y)\rangle +\frac{L}{2}\|z-y\|^2 \leq f(y)+\langle z-y,\nabla f(y)\rangle +\frac{1}{2\tau}\|z-y\|^2. \end{equation} Khususnya, ϕ(Pτ(y))F(Pτ(y))\phi(P_\tau(y))\geq F(P_\tau(y)), sehingga ϕ(x)F(Pτ(y))12τxPτ(y)2.\begin{equation} \phi(x)-F(P_\tau(y)) \geq\frac{1}{2\tau}\|x-P_\tau(y)\|^2. \end{equation} Dengan memasukkan definisi ϕ\phi dan memakai f(y)+xy,f(y)=f(x)f(x,y)f(y)+\langle x-y,\nabla f(y)\rangle=f(x)-\ell_f(x,y), penataan ulang hubungan terakhir tepat memberikan F(x)F(Pτ(y))12τxPτ(y)212τxy2+f(x,y),\begin{equation} F(x)-F(P_\tau(y)) \geq\frac{1}{2\tau}\|x-P_\tau(y)\|^2 -\frac{1}{2\tau}\|x-y\|^2+\ell_f(x,y), \end{equation} dan bukti selesai. ◻

Misalkan f:df:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} konveks, terdiferensialkan, dan bergradien LL-Lipschitz dengan L>0L>0; misalkan g:d(,]g:\mathbb{R}^d\rightarrow(-\infty,\infty] proper, semikontinu bawah, dan konveks; serta ambil x*argminFx^*\in\arg\min F. Inisialisasikan FISTA dengan x0=x1x_0=x_1, t1=1t_1=1, dan ukuran langkah tetap 0<τ1/L0<\tau\leq1/L. Untuk setiap k2k\geq2, F(xk)F(x*)Cτk2,C=2(t22x*x12+t2(x*x2)+(t21)(x1x*)2).\begin{equation} F(x_k)-F(x^*)\leq\frac{C}{\tau k^2}, \qquad C=2\left(t_2^2\|x^*-x_1\|^2+ \|t_2(x^*-x_2)+(t_2-1)(x_1-x^*)\|^2\right). \end{equation}

Proof. Pilih x=tk+11x*+(1tk+11)xkx=t_{k+1}^{-1}x^*+(1-t_{k+1}^{-1})x_k dan y=yky=y_k dalam ketaksamaan fundamental gradien proksimal. Karena ff konveks, f(x,y)0\ell_f(x,y)\geq0. Maka F(tk+11x*+(1tk+11)xk)F(xk+1)12τtk+11x*+(1tk+11)xkxk+1212τtk+11x*+(1tk+11)xkyk2=12τtk+12x*+(tk+11)xktk+1xk+1212τtk+12x*+(tk+11)xktk+1yk2.\begin{equation} \label{eq:fista1} \begin{aligned} F(t_{k+1}^{-1}x^*+&(1-t_{k+1}^{-1})x_k)-F(x_{k+1})\\ \geq{}& \frac{1}{2\tau} \|t_{k+1}^{-1}x^*+(1-t_{k+1}^{-1})x_k-x_{k+1}\|^2\\ &-\frac{1}{2\tau} \|t_{k+1}^{-1}x^*+(1-t_{k+1}^{-1})x_k-y_k\|^2\\ ={}& \frac{1}{2\tau t_{k+1}^2} \|x^*+(t_{k+1}-1)x_k-t_{k+1}x_{k+1}\|^2\\ &-\frac{1}{2\tau t_{k+1}^2} \|x^*+(t_{k+1}-1)x_k-t_{k+1}y_k\|^2. \end{aligned} \end{equation} Di sisi lain, menurut kekonveksan FF dan fakta tk1t_k\geq1, F(tk+11x*+(1tk+11)xk)F(xk+1)tk+11F(x*)+(1tk+11)F(xk)F(xk+1)=(1tk+11)(F(xk)F(x*))(F(xk+1)F(x*)).\begin{equation} \label{eq:fista2} \begin{aligned} F(t_{k+1}^{-1}x^*+(1-t_{k+1}^{-1})x_k)-F(x_{k+1}) \leq{}&t_{k+1}^{-1}F(x^*) +(1-t_{k+1}^{-1})F(x_k)-F(x_{k+1})\\ ={}&(1-t_{k+1}^{-1})(F(x_k)-F(x^*)) -(F(x_{k+1})-F(x^*)). \end{aligned} \end{equation} Karena yk=xk+tk1tk+1(xkxk1)y_k=x_k+\frac{t_k-1}{t_{k+1}}(x_k-x_{k-1}), kita mempunyai x*+(tk+11)xktk+1yk2=x*tkxk+(tk1)xk12.\begin{equation} \label{eq:fista3} \begin{aligned} \|x^*+(t_{k+1}-1)x_k-t_{k+1}y_k\|^2 =\|x^*-t_kx_k+(t_k-1)x_{k-1}\|^2. \end{aligned} \end{equation} Menggabungkan [eq:fista1], [eq:fista2], dan [eq:fista3] memberikan tk+12(1tk+11)(F(xk)F(x*))tk+12(F(xk+1)F(x*))12τx*tk+1xk+1+(tk+11)xk212τx*tkxk+(tk1)xk12.\begin{equation} \begin{aligned} t_{k+1}^2(1-t_{k+1}^{-1}) &(F(x_k)-F(x^*)) -t_{k+1}^2(F(x_{k+1})-F(x^*))\\ \geq{}& \frac{1}{2\tau} \|x^*-t_{k+1}x_{k+1}+(t_{k+1}-1)x_k\|^2\\ &-\frac{1}{2\tau} \|x^*-t_kx_k+(t_k-1)x_{k-1}\|^2. \end{aligned} \end{equation} Dari pembaruan FISTA berlaku tk+12(1tk+11)=tk2t_{k+1}^2(1-t_{k+1}^{-1})=t_k^2. Jadi, tk2(F(xk)F(x*))tk+12(F(xk+1)F(x*))12τx*tk+1xk+1+(tk+11)xk212τx*tkxk+(tk1)xk12.\begin{equation} \begin{aligned} t_k^2&(F(x_k)-F(x^*)) -t_{k+1}^2(F(x_{k+1})-F(x^*))\\ \geq{}& \frac{1}{2\tau} \|x^*-t_{k+1}x_{k+1}+(t_{k+1}-1)x_k\|^2\\ &-\frac{1}{2\tau} \|x^*-t_kx_k+(t_k-1)x_{k-1}\|^2. \end{aligned} \end{equation} Dengan demikian, tk2(F(xk)F(x*))+12τx*tkxk+(tk1)xk12tk+12(F(xk+1)F(x*))+12τx*tk+1xk+1+(tk+11)xk2.\begin{equation} \begin{aligned} t_k^2&(F(x_k)-F(x^*)) +\frac{1}{2\tau} \|x^*-t_kx_k+(t_k-1)x_{k-1}\|^2\\ \geq{}& t_{k+1}^2(F(x_{k+1})-F(x^*)) +\frac{1}{2\tau} \|x^*-t_{k+1}x_{k+1}+(t_{k+1}-1)x_k\|^2. \end{aligned} \end{equation} Dengan mengiterasikan ketaksamaan ini, untuk k2k\geq2 diperoleh t22(F(x2)F(x*))+12τt2(x*x2)+(t21)(x1x*)2tk2(F(xk)F(x*))+12τx*tkxk+(tk1)xk12.\begin{equation} \begin{aligned} t_2^2&(F(x_2)-F(x^*)) +\frac{1}{2\tau} \|t_2(x^*-x_2)+(t_2-1)(x_1-x^*)\|^2\\ \geq{}& t_k^2(F(x_k)-F(x^*)) +\frac{1}{2\tau} \|x^*-t_kx_k+(t_k-1)x_{k-1}\|^2. \end{aligned} \end{equation} Selain itu, ketaksamaan fundamental gradien proksimal dengan x=x*x=x^* dan y=y1=x0=x1y=y_1=x_0=x_1 memberikan F(x*)F(x2)12τx*x2212τx*x12.\begin{equation} F(x^*)-F(x_2) \geq\frac{1}{2\tau}\|x^*-x_2\|^2 -\frac{1}{2\tau}\|x^*-x_1\|^2. \end{equation} Dengan membuang suku kuadrat nonnegatif pada ruas kanan estimasi energi dan memakai batas terakhir, kita menemukan F(xk)F(x*)tk2(t222τx*x12+12τt2(x*x2)+(t21)(x1x*)2).\begin{equation} \begin{aligned} F(x_k)-F(x^*) \leq t_k^{-2}\left( \frac{t_2^2}{2\tau}\|x^*-x_1\|^2 +\frac{1}{2\tau} \|t_2(x^*-x_2)+(t_2-1)(x_1-x^*)\|^2 \right). \end{aligned} \end{equation} Karena tk(k+1)/2t_k\geq(k+1)/2, batas dalam pernyataan teorema mengikuti. ◻

Dualitas

Dalam bab ini, semua ruang vektor dipahami sebagai ruang Hilbert riil berdimensi hingga. Dual yang digunakan adalah dual kontinu; melalui representasi Riesz kita mengidentifikasi V*VV^*\cong V dan, khususnya, V**VV^{**}\cong V. Untuk setiap ruang demikian HH, tuliskan Γ0(H)\Gamma_0(H) bagi kelas fungsi H(,+]H\rightarrow(-\infty,+\infty] yang proper, konveks, dan semikontinu bawah.

Dualitas Fenchel

Misalkan f:V(,+]f:V\rightarrow(-\infty,+\infty] proper. Konjugat Fenchel, atau konjugat konveks, didefinisikan sebagai f*:V*(,+]f*(x*)=supxVx*,xf(x).\begin{equation} \begin{aligned} f^*:V^*&\rightarrow(-\infty,+\infty]\\ f^*(x^*) &= \sup_{x\in V} \left\langle x^*,x\right\rangle - f(x). \end{aligned} \end{equation}

  1. Fungsi indikator: Misalkan f=δCf=\delta_C dengan CVC\subset V tak kosong dan konveks. Maka f*(x*)=supxCx*,xf^*(x^*) = \sup_{x\in C}\left\langle x^*,x\right\rangle adalah apa yang disebut fungsi pendukung.

  2. Norma: Misalkan f=f = \|\,\cdot\,\| adalah suatu norma. Maka f*=δB¯*,1(0)f^* = \delta_{\overline{B}_{\|\,\cdot\,\|_*,1}(0)}. Artinya, f*f^* adalah fungsi indikator pada bola satuan tertutup terhadap norma dual.

  3. Sebaliknya, konjugat dari f=δB¯*,1(0)f = \delta_{\overline{B}_{\|\,\cdot\,\|_*,1}(0)} adalah f*=f^* = \|\,\cdot\,\| setelah identifikasi V**VV^{**}\cong V.

Misalkan ff proper dan konveks, serta andaikan bahwa f(x̂)\partial f(\hat x) \neq \emptyset untuk suatu x̂V\hat x\in V. Dalam dimensi hingga, syarat tambahan ini otomatis dipenuhi pada suatu titik di interior relatif domain efektif; bandingkan (Beck 2017, Corollary 3.19). Maka f*f^* proper, konveks, dan semikontinu bawah (lsc).

Proof. Karena ff proper, terdapat x0Vx_0\in V sedemikian sehingga f(x0)f(x_0)\in \mathbb{R}. Akibatnya, untuk setiap x*x^*, f*(x*)x*,x0f(x0)>.\begin{equation} f^*(x^*)\geq \left\langle x^*,x_0\right\rangle - f(x_0)> -\infty. \end{equation} Ambil gf(x̂)g\in \partial f(\hat x). Berdasarkan definisi subgradien, kita mempunyai f(x̂)+g,xx̂f(x)\begin{equation} f(\hat x) + \left\langle g,x-\hat x\right\rangle\leq f(x) \end{equation} dan, dengan demikian, f*(g)=supxVg,xf(x)supxVf(x)f(x̂)+g,x̂f(x)supxVf(x̂)+g,x̂<.\begin{equation} \begin{aligned} f^*(g) =& \sup_{x\in V}\left\langle g,x\right\rangle - f(x)\\ \leq& \sup_{x\in V}f(x) - f(\hat x) + \left\langle g,\hat x\right\rangle - f(x)\\ \leq& \sup_{x\in V}- f(\hat x) + \left\langle g,\hat x\right\rangle <\infty. \end{aligned} \end{equation} Kekonveksan dan semikontinuitas bawah langsung mengikuti fakta bahwa konjugat konveks merupakan supremum titik demi titik dari fungsi-fungsi afin kontinu, yang karena itu konveks dan lsc12. ◻

Misalkan ff proper. Maka f*(x*)+f(x)x*,x.\begin{equation} f^*(x^*) + f(x)\geq \left\langle x^*,x\right\rangle. \end{equation}

Proof. Latihan. ◻

Untuk fungsi proper ff dengan f*f^* proper, proses pengambilan konjugat dapat kita iterasikan untuk memperoleh bikonjugat. Kondisi ini dijamin oleh lema sebelumnya pada kasus konveks yang memenuhi hipotesisnya. Demi kesederhanaan, kita tulis f**(f*)*f^{**} \coloneq (f^*)^*. Karena diasumsikan V**=VV^{**}=V, bikonjugat kembali terdefinisi pada ruang asal VV.

Misalkan ff dan f*f^* proper. Untuk setiap xVx\in V berlaku f**(x)f(x)f^{**}(x)\leq f(x).

Proof. Pertama, perhatikan bahwa untuk setiap xx, konjugat memenuhi f*(x*)x*,xf(x).\begin{equation} f^*(x^*)\geq \left\langle x^*,x\right\rangle-f(x). \end{equation} Oleh karena itu, f**(x)=supx*V*x*,xf*(x*)=supx*V*infyx*,xy+f(y)supx*V*x*,xx+f(x)=f(x).\begin{equation} \begin{aligned} f^{**}(x) =& \sup_{x^*\in V^*}\left\langle x^*,x\right\rangle - f^*(x^*)\\ =& \sup_{x^*\in V^*}\inf_y \left\langle x^*,x-y\right\rangle + f(y)\\ \leq& \sup_{x^*\in V^*} \left\langle x^*,x-x\right\rangle + f(x)\\ =& f(x). \end{aligned} \end{equation} ◻

Misalkan ff proper, konveks, dan lsc. Maka f**=ff^{**} = f.

Proof. Karena selalu berlaku f**ff^{**}\leq f, tinggal ditunjukkan bahwa f**ff^{**}\geq f. Andaikan sebaliknya: terdapat x0Vx_0\in V sedemikian sehingga f**(x0)<f(x0).\begin{equation} f^{**}(x_0) < f(x_0). \end{equation} Ini berarti (x0,f**(x0))epi(f)(x_0, f^{**}(x_0))\not\in \operatorname{epi}(f). Karena epi(f)\operatorname{epi}(f) tertutup dan konveks berdasarkan asumsi, teorema Hahn–Banach dapat diterapkan untuk mendapatkan (g,α)V*×(g,\alpha)\in V^*\times \mathbb{R} dan c1,c2c_1,c_2\in \mathbb{R} sedemikian sehingga (g,α),(x0,f**(x0))<c1<c2<(g,α),(x,t),(x,t)epi(f).\begin{equation} \left\langle (g,\alpha),(x_0,f^{**}(x_0))\right\rangle<c_1<c_2<\left\langle (g,\alpha),(x,t)\right\rangle,\quad (x,t)\in \operatorname{epi}(f). \end{equation} Karena ff proper, pilih xdom(f)\bar x\in\operatorname{dom}(f). Dengan memasukkan (x,t)epi(f)(\bar x,t)\in\operatorname{epi}(f) dan membiarkan tt\rightarrow\infty, diperoleh α0\alpha\geq 0. Sekarang andaikan α>0\alpha>0. Kita dapat membagi dengan α\alpha dan memperoleh gα,x0x+f**(x0)f(x)c1c2α<0.\begin{equation} \left\langle \frac{g}{\alpha},x_0-x\right\rangle + f^{**}(x_0)-f(x)\leq \frac{c_1-c_2}{\alpha}<0. \end{equation} Ketaksamaan di atas berlaku untuk setiap xdom(f)x\in \operatorname{dom}(f) dan juga secara otomatis untuk setiap xx dengan f(x)=f(x)=\infty. Mengambil supremum terhadap xx menghasilkan gα,x0+f**(x0)+f*(gα)<0,\begin{equation} \left\langle \frac{g}{\alpha},x_0\right\rangle + f^{**}(x_0)+f^*(-\frac{g}{\alpha})<0, \end{equation} yang bertentangan dengan ketaksamaan Fenchel. Pada kasus yang tersisa, yaitu α=0\alpha=0, kita mempunyai g,x0x<c1c2<0.\begin{equation} \left\langle g,x_0-x\right\rangle < c_1-c_2<0. \end{equation} Ambil sembarang ŷdom(f*)\hat y\in \operatorname{dom}(f^*). Untuk ĝ=gϵŷ\hat g = g-\epsilon \hat y, kita memperoleh ĝ,x0x+ϵ(f**(x0)f(x))g,x0x+ϵ(ŷ,x0x+f**(x0)f(x))c1c2+ϵ(ŷ,x0+f**(x0)+f*(ŷ)).\begin{equation} \begin{aligned} \left\langle \hat g,x_0-x\right\rangle + \epsilon(f^{**}(x_0)-f(x)) \leq& \left\langle g,x_0-x\right\rangle + \epsilon( \left\langle -\hat y,x_0-x\right\rangle + f^{**}(x_0)-f(x))\\ \leq& c_1-c_2 + \epsilon( \left\langle \hat y,-x_0\right\rangle + f^{**}(x_0)+f^*(\hat y)). \end{aligned} \end{equation} Perhatikan bahwa ŷ\hat y dan x0x_0 tetap. Karena itu, ϵ>0\epsilon>0 dapat dipilih cukup kecil agar ruas kanan tetap negatif ketat. Tuliskan cc1c2+ϵ(ŷ,x0+f**(x0)+f*(ŷ))<0c \coloneq c_1-c_2 + \epsilon( \left\langle -\hat y,x_0\right\rangle + f^{**}(x_0)+f^*(\hat y))<0. Setelah membagi dengan ϵ\epsilon, diperoleh ĝϵ,x0x+f**(x0)f(x)cϵ<0.\begin{equation} \begin{aligned} \left\langle \frac{\hat g}{\epsilon},x_0-x\right\rangle + f^{**}(x_0)-f(x) \leq \frac{c}{\epsilon}<0. \end{aligned} \end{equation} Sekali lagi mengambil supremum terhadap semua xx menghasilkan ĝϵ,x0+f**(x0)+f*(ĝϵ)cϵ<0,\begin{equation} \begin{aligned} \left\langle \frac{\hat g}{\epsilon},x_0\right\rangle + f^{**}(x_0)+f^*(-\frac{\hat g}{\epsilon}) \leq \frac{c}{\epsilon}<0, \end{aligned} \end{equation} Hal ini bertentangan dengan ketaksamaan Fenchel. Jadi, asumsi f**(x0)<f(x0)f^{**}(x_0)<f(x_0) selalu menimbulkan kontradiksi. Karena itu, f**(x0)f(x0)f^{**}(x_0)\geq f(x_0), dan bukti selesai. ◻

Jika ff tidak sekaligus konveks dan tertutup, maka, selama keluarga minoran proper di bawah tidak kosong, f**f^{**} merupakan minoran konveks semikontinu bawah terbesar dari ff, yang disebut regularisasi Γ\Gamma. Lebih tepatnya, tuliskan Γ(V)={:V(,+]| proper, tertutup, dan konveks}.\begin{equation} \Gamma(V)=\{\ell:V\rightarrow(-\infty,+\infty]\;|\; \ell\text{ proper, tertutup, dan konveks}\}. \end{equation} Jika {Γ(V):f}\{\ell\in\Gamma(V):\ell\leq f\}\neq\emptyset, maka f**(x)=supΓ(V),f(x).\begin{equation} f^{**}(x) = \sup_{\substack{\ell\in \Gamma(V),\\ \ell\leq f}}\ell (x). \end{equation} Jika keluarga minoran tersebut kosong, supremum pada ruas kanan dipahami sebagai fungsi yang identik -\infty. Fungsi ini tidak termasuk dalam Γ(V)\Gamma(V) dan, di bawah konvensi bab ini yang mendefinisikan konjugasi hanya bagi masukan proper, tidak dinotasikan sebagai f**f^{**}.

Konjugat mempunyai hubungan yang erat dengan subgradien, sebagaimana ditunjukkan oleh lema berikut.

Misalkan ff proper, konveks, dan tertutup. Pernyataan-pernyataan berikut ekuivalen:

  1. f(x)+f*(x*)=x*,xf(x) + f^*(x^*) = \left\langle x^*,x\right\rangle.

  2. x*f(x)x^*\in \partial f(x).

  3. xf*(x*)x\in \partial f^*(x^*).

Proof.

  1. Pernyataan [duality:item1] menyiratkan bahwa untuk setiap zVz\in V, f(x)+x*,x=f*(x*)x*,zf(z).\begin{equation} \begin{aligned} -f(x) + \left\langle x^*,x\right\rangle = f^*(x^*) \geq \left\langle x^*,z\right\rangle - f(z). \end{aligned} \end{equation} Berdasarkan definisi, ini menyiratkan x*f(x)x^*\in \partial f(x).

  2. Sebaliknya, pernyataan [duality:item2] menghasilkan, untuk setiap zz, f(x)+x*,xx*,zf(z).\begin{equation} \begin{aligned} -f(x) + \left\langle x^*,x\right\rangle \geq \left\langle x^*,z\right\rangle - f(z). \end{aligned} \end{equation} Dengan mengambil supremum terhadap zz, diperoleh x*,xf(x)+f*(x*)\left\langle x^*,x\right\rangle \geq f(x) + f^*(x^*). Bersama ketaksamaan Fenchel, ini membuktikan hasilnya.

  3. Karena ff proper, konveks, dan tertutup, pernyataan [duality:item1] ekuivalen dengan f**(x)+f*(x*)=x*,x.\begin{equation} f^{**}(x) + f^*(x^*) = \left\langle x^*,x\right\rangle. \end{equation} Bukti kemudian diperoleh dengan mengulangi argumen di atas.

 ◻

Misalkan fΓ0(V)f\in\Gamma_0(V). Maka x=proxf(x)+proxf*(x).\begin{equation} x = \operatorname{prox}_f(x) + \operatorname{prox}_{f^*}(x). \end{equation}

Proof. Pertama, perhatikan bahwa kedua pemetaan proksimal terdefinisi dengan baik dan bernilai tunggal (mengapa?). Demi kesederhanaan, tuliskan p=proxf(x)p = \operatorname{prox}_f(x). Dari syarat optimalitas diperoleh xpf(p)x-p\in\partial f(p) dan, berdasarkan [duality:lemma:subdiff_conjugate], p=x(xp)f*(xp)p = x - (x-p)\in \partial f^*(x-p). Pernyataan terakhir menyiratkan proxf*(x)=xp\operatorname{prox}_{f^*}(x) = x-p, sehingga bukti selesai. ◻

Misalkan XX dan YY ruang Hilbert riil berdimensi hingga, fΓ0(X)f\in\Gamma_0(X), gΓ0(Y)g\in\Gamma_0(Y), dan K:XYK:X\rightarrow Y operator linear terbatas. Selain itu, andaikan terdapat x0dom(f)dom(gK)x_0 \in \operatorname{dom}(f) \cap \operatorname{dom}(g\circ K) dengan Kx0dom(g)K x_0 \in \operatorname{dom}(g)^\circ. Andaikan masalah (primal) minxf(x)+g(Kx)\begin{equation} \min_{x} f(x) + g(Kx) \end{equation} mempunyai solusi x̂\hat x. Maka masalah dual maxx*f*(K*x*)g*(x*)\begin{equation} \begin{aligned} \max_{x^*} -f^*(-K^*x^*) - g^*(x^*) \end{aligned} \end{equation} juga mempunyai solusi x̂*\hat x^*, dan berlaku dualitas kuat, yaitu minxf(x)+g(Kx)=maxx*f*(K*x*)g*(x*).\begin{equation} \begin{aligned} \min_{x} f(x) + g(Kx) = \max_{x^*} -f^*(-K^*x^*) - g^*(x^*). \end{aligned} \end{equation} Selain itu, solusi primal dan dual memenuhi {K*x̂*f(x̂),x̂*g(Kx̂).\begin{equation} \begin{cases} -K^*\hat x^*&\in \partial f(\hat x),\\ \hat x^* &\in \partial g(K\hat x). \end{cases} \end{equation}

Proof. Pertama, secara langsung diperoleh infxf(x)+g(Kx)=infxf(x)+g**(Kx)=infxsupx*f(x)+Kx,x*g*(x*)supx*infxf(x)+Kx,x*g*(x*)=supx*supxf(x)+x,K*x*g*(x*)=supx*f*(K*x*)g*(x*).\begin{equation} \label{duality:eq:fenchel_rocka} \begin{aligned} \inf_{x} f(x) + g(Kx) =& \inf_{x} f(x) + g^{**}(Kx)\\ =& \inf_{x}\sup_{x^*} f(x) + \left\langle Kx,x^*\right\rangle - g^*(x^*)\\ \geq & \sup_{x^*} \inf_{x} f(x) + \left\langle Kx,x^*\right\rangle - g^*(x^*)\\ = & \sup_{x^*} -\sup_{x} -f(x) + \left\langle x,-K^*x^*\right\rangle - g^*(x^*)\\ = & \sup_{x^*} -f^*(-K^*x^*) - g^*(x^*). \end{aligned} \end{equation} Jadi, tinggal dibuktikan ketaksamaan sebaliknya. Hipotesis interior di atas memenuhi syarat kualifikasi bagi aturan jumlah dan rantai subdiferensial. Karena itu, kaidah Fermat pada peminimum x̂\hat x memberikan

0f(x̂)+K*g(Kx̂)\displaystyle 0 \in \partial f(\hat x) + K^*\partial g(K\hat x).

Dengan kata lain, terdapat x̂*g(Kx̂)\hat x^*\in \partial g(K\hat x) sedemikian sehingga K*x̂*f(x̂)-K^*\hat x^*\in \partial f (\hat x). Berdasarkan [duality:lemma:subdiff_conjugate], hal ini menyiratkan g(Kx̂)+g*(x̂*)=x̂*,Kx̂,f(x̂)+f*(K*x̂*)=K*x̂*,x̂=x̂*,Kx̂.\begin{equation} \begin{aligned} g(K\hat x) + g^*(\hat x^*) =& \left\langle \hat x^*,K\hat x\right\rangle,\\ f(\hat x) + f^*(-K^*\hat x^*) =& -\left\langle K^*\hat x^*,\hat x\right\rangle = -\left\langle \hat x^*,K\hat x\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Oleh karena itu, infxf(x)+g(Kx)=f(x̂)+g(Kx̂)=(f*(K*x̂*)x̂*,Kx̂)+(g*(x̂*)+x̂*,Kx̂)=f*(K*x̂*)g*(x̂*)supx*f*(K*x*)g*(x*).\begin{equation} \begin{aligned} \inf_x f(x) + g(Kx) =& f(\hat x) + g(K\hat x) \\ =& \big(-f^*(-K^*\hat x^*) - \left\langle \hat x^*,K\hat x\right\rangle\big) + \big(-g^*(\hat x^*) + \left\langle \hat x^*,K\hat x\right\rangle\big)\\ =& -f^*(-K^*\hat x^*) -g^*(\hat x^*)\\ \leq& \sup_{x^*} -f^*(-K^*x^*) - g^*(x^*). \end{aligned} \end{equation} Ini membuktikan kesamaan dalam [duality:eq:fenchel_rocka] sekaligus menunjukkan bahwa x̂*\hat x^* adalah solusi masalah dual. ◻

Optimisasi primal–dual

[duality:eq:fenchel_duality] membuka kemungkinan beberapa metode untuk mencari solusi masalah berbentuk minxf(x)+g(Kx).\begin{equation} \label{duality:qe:problem} \min_x f(x) + g(Kx). \end{equation} Memang, berdasarkan dualitas kuat, kita dapat menangani masalah primal, masalah dual, atau masalah titik pelana minxsupy(x,y)f(x)g*(y)+Kx,y.\begin{equation} \label{duality:qe:saddlepoint} \min_x \sup_y \mathcal{L}(x,y)\coloneqq f(x) -g^*(y) + \left\langle Kx,y\right\rangle. \end{equation} Tujuan utama peralihan di antara formulasi primal dan dual adalah untuk memindahkan operator KK. Misalnya, jika gg tidak terdiferensialkan sehingga kita ingin menerapkan langkah proksimal pada gg, operator KK dalam [duality:qe:problem] pada umumnya membuat proxgK\operatorname{prox}_{g\circ K} tidak mempunyai bentuk eksplisit. Sebaliknya, dalam formulasi titik pelana [duality:qe:saddlepoint], operator KK hanya muncul dalam hasil kali skalar. Selain itu, perhatikan bahwa menurut [duality:thm:Moreau:id], proksimal suatu fungsi konjugat sama mudah atau sama sulit dihitung dengan proksimal fungsi asalnya. Lebih tepatnya, untuk σ>0\sigma>0 berlaku proxσg*(y)=yσproxg/σ(y/σ)\operatorname{prox}_{\sigma g^*}(y)=y-\sigma\operatorname{prox}_{g/\sigma}(y/\sigma).

Kesenjangan primal–dual didefinisikan sebagai 𝒢(x,y)=(f(x)+g(Kx))(f*(K*y)g*(y)).\begin{equation} \mathcal{G}(x,y) = (f(x) + g(Kx)) - (-f^*(-K^*y) - g^*(y)). \end{equation}

Di bawah hipotesis dualitas kuat dan ketercapaian primal–dual yang baru saja dinyatakan, kita mempunyai 𝒢(x,y)0\mathcal{G}(x,y)\geq 0, dan 𝒢(x̂,ŷ)=0\mathcal{G}(\hat x,\hat y) = 0 jika dan hanya jika x̂\hat x menyelesaikan masalah primal dan ŷ\hat y menyelesaikan masalah dual. Kesenjangan tersebut mempunyai representasi 𝒢(x,y)=supy(x,y)infx(x,y).\begin{equation} \mathcal{G}(x,y) = \sup_{y'}\mathcal{L}(x,y') - \inf_{x'}\mathcal{L}(x',y). \end{equation} Khususnya, (x̂,ŷ)(\hat x,\hat y) masing-masing optimal untuk masalah primal dan dual jika dan hanya jika, untuk setiap x,yx,y, (x̂,y)(x̂,ŷ)(x,ŷ).\begin{equation} \mathcal{L}(\hat x,y)\leq \mathcal{L}(\hat x,\hat y)\leq \mathcal{L}(x,\hat y). \end{equation}

Proof. Latihan. ◻

Dengan melakukan optimisasi bergantian dalam [duality:qe:saddlepoint], memakai langkah proksimal terhadap ff dan g*g^* serta langkah gradien terhadap hasil kali dalam, kita memperoleh aturan pembaruan berikut yang dikenal sebagai metode Arrow–Hurwicz: {xk+1=proxτf(xkτK*yk)yk+1=proxσg*(yk+σKxk+1).\begin{equation} \label{duality:eq:AH} \begin{cases} x_{k+1} =& \operatorname{prox}_{\tau f}(x_k-\tau K^*y_k)\\ y_{k+1} =& \operatorname{prox}_{\sigma g^*}(y_k+\sigma Kx_{k+1}). \end{cases} \end{equation} Ternyata, dalam bentuk ini metode tersebut mempunyai sifat konvergensi yang lebih buruk. Untuk memperoleh pembaruan yang lebih baik, algoritme ditulis ulang secara cermat. Dengan memakai proxτf(x)=(Id+τf)1(x)\operatorname{prox}_{\tau f}(x) = (\operatorname{Id}+ \tau \partial f)^{-1}(x), dapat diperiksa secara langsung bahwa [duality:eq:AH] ekuivalen dengan {xk+1+τf(xk+1)=xkτK*ykyk+1+σg*(yk+1)=yk+σKxk+1.\begin{equation} \begin{cases} x_{k+1} +\tau \partial f(x_{k+1}) =& x_k - \tau K^*y_k\\ y_{k+1} +\sigma \partial g^*(y_{k+1}) =& y_k + \sigma Kx_{k+1}. \end{cases} \end{equation} Setelah membagi masing-masing persamaan dengan τ\tau dan σ\sigma, serta menggunakan notasi z=(x,y)z=(x,y), bentuk ini dapat ditulis sebagai [1τId+f0K1σId+g*]zk+1=[1τIdK*01σId]zk.\begin{equation} \begin{bmatrix} \frac{1}{\tau}\operatorname{Id}+ \partial f&0\\ -K&\frac{1}{\sigma}\operatorname{Id}+ \partial g^* \end{bmatrix} z_{k+1} = \begin{bmatrix} \frac{1}{\tau}\operatorname{Id}& - K^*\\ 0& \frac{1}{\sigma}\operatorname{Id} \end{bmatrix} z_k. \end{equation} Bahkan tanpa menelaah rincian bukti, wajar diharapkan bahwa pembaruan yang lebih simetris akan lebih baik, khususnya karena sifat menguntungkan matriks simetris. Karena itu, kita mempertimbangkan skema berikut, yang tidak mengubah titik tetap yang mungkin: [1τId+f02K1σId+g*]zk+1=[1τIdK*K1σId]zk.\begin{equation} \begin{bmatrix} \frac{1}{\tau}\operatorname{Id}+ \partial f&0\\ -2K&\frac{1}{\sigma}\operatorname{Id}+ \partial g^* \end{bmatrix} z_{k+1} = \begin{bmatrix} \frac{1}{\tau}\operatorname{Id}& -K^*\\ -K & \frac{1}{\sigma}\operatorname{Id} \end{bmatrix} z_k. \end{equation} Matriks pada ruas kanan kini simetris dan definit positif selama στK2<1\sigma\tau \|K\|^2<1. Kembali ke operator proksimal, metode gradien hibrida primal–dual ini, yang sering disebut metode Chambolle–Pock berdasarkan (Chambolle dan Pock 2011), berbentuk {xk+1=proxτf(xkτK*yk)yk+1=proxσg*(yk+σK(2xk+1xk)).\begin{equation} \label{duality:eq:pdhg} \begin{cases} x_{k+1} =& \operatorname{prox}_{\tau f}(x_k-\tau K^*y_k)\\ y_{k+1} =& \operatorname{prox}_{\sigma g^*}(y_k+\sigma K(2x_{k+1}-x_k)). \end{cases} \end{equation}

Untuk analisis, PDHG akan ditulis dalam bentuk abstrak {x+=argminx12τ|xx|2+x,K*y+f(x)y+=argminy12σ|yy|2y,Kx+g*(y).\begin{equation} \label{duality:eq:pdhg2} \begin{cases} x^+ =& \arg\min_x \frac{1}{2\tau}|x-x^-|^2 + \left\langle x,K^*\bar y\right\rangle + f(x)\\ y^+ =& \arg\min_y \frac{1}{2\sigma}|y-y^-|^2 - \left\langle y,K\bar x\right\rangle + g^*(y). \end{cases} \end{equation} Di sini, superskrip plus menyatakan variabel yang telah diperbarui, superskrip minus menyatakan iterasi lama, sedangkan garis atas masing-masing menyatakan nilai xx yang digunakan untuk pembaruan yy dan nilai yy yang digunakan untuk pembaruan xx.

Misalkan XX dan YY ruang Hilbert riil berdimensi hingga, fΓ0(X)f\in\Gamma_0(X), gΓ0(Y)g\in\Gamma_0(Y), K:XYK:X\rightarrow Y linear terbatas, serta τ,σ>0\tau,\sigma>0. Aturan pembaruan [duality:eq:pdhg2] memenuhi (x+,y)(x,y+)12τ|xx|2+12σ|yy|212τ|xx+|212σ|yy+|212τ|x+x|212σ|y+y|2+x+x,K*(yy)y+y,K(xx).\begin{equation} \begin{aligned} \mathcal{L}(x^+,y) - \mathcal{L}(x,y^+)\leq& \frac{1}{2\tau}|x-x^-|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y^-|^2\\ &-\frac{1}{2\tau}|x-x^+|^2 - \frac{1}{2\sigma}|y-y^+|^2 -\frac{1}{2\tau}|x^+-x^-|^2 - \frac{1}{2\sigma}|y^+-y^-|^2\\ &+\left\langle x^+-x,K^*(y-\bar{y})\right\rangle - \left\langle y^+-y,K(x-\bar{x})\right\rangle. \end{aligned} \end{equation}

Proof. Berdasarkan kekonveksan kuat, pembaruan x+x^+ dan y+y^+ memenuhi 12τ|x+x|2+x+,K*y+f(x+)+12τ|xx+|212τ|xx|2+x,K*y+f(x)12σ|y+y|2y+,Kx+g*(y+)+12σ|yy+|212σ|yy|2y,Kx+g*(y).\begin{equation} \begin{aligned} \frac{1}{2\tau}|x^+-x^-|^2 + \left\langle x^+,K^*\bar y\right\rangle + f(x^+) + \frac{1}{2\tau}|x-x^+|^2 \leq& \frac{1}{2\tau}|x-x^-|^2 + \left\langle x,K^*\bar y\right\rangle + f(x)\\ \frac{1}{2\sigma}|y^+-y^-|^2 - \left\langle y^+,K\bar x\right\rangle + g^*(y^+) + \frac{1}{2\sigma}|y-y^+|^2 \leq& \frac{1}{2\sigma}|y-y^-|^2 - \left\langle y,K\bar x\right\rangle + g^*(y). \end{aligned} \end{equation} Menjumlahkan kedua ketaksamaan dan menyusun ulang suku-sukunya memberikan hasil yang diinginkan. ◻

Misalkan XX dan YY ruang Hilbert riil berdimensi hingga, fΓ0(X)f\in\Gamma_0(X), gΓ0(Y)g\in\Gamma_0(Y), K:XYK:X\rightarrow Y linear terbatas, serta τ,σ>0\tau,\sigma>0. Perhatikan pembaruan [duality:eq:pdhg] dan andaikan ukuran langkah memenuhi τσK2\tau\sigma\leq \|K\|^{-2}; untuk K=0K=0, syarat ini dipahami otomatis terpenuhi. Untuk N1N\geq1, definisikan rerata ergodik XN=1Nk=1NxkX_N = \frac{1}{N}\sum_{k=1}^{N}x_k dan YN=1Nk=1NykY_N = \frac{1}{N}\sum_{k=1}^{N}y_k. Maka (XN,y)(x,YN)1N[12τ|xx0|2+12σ|yy0|2yy0,K(xx0)].\begin{equation} \mathcal{L}(X_{N},y) - \mathcal{L}(x,Y_{N})\leq \frac{1}{N}\bigg[\frac{1}{2\tau}|x-x_0|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_0|^2 - \left\langle y-y_0,K(x-x_{0})\right\rangle\bigg]. \end{equation}

Perhatikan bahwa ukuran langkah sama sekali tidak bergantung pada fungsi ff dan gg, melainkan hanya pada operator KK.

Proof. (xk+1,y)(x,yk+1)12τ|xxk|2+12σ|yyk|212τ|xxk+1|212σ|yyk+1|212τ|xk+1xk|212σ|yk+1yk|2+xk+1x,K*(yyk)yk+1y,K(xxk+1)+yk+1y,K(xk+1xk)[12τ|xxk|2+12σ|yyk|2yyk,K(xxk)][12τ|xxk+1|2+12σ|yyk+1|2yyk+1,K(xxk+1)][12τ|xk+1xk|2+12σ|yk+1yk|2xk+1xk,K*(yk+1yk)].\begin{equation} \begin{aligned} \mathcal{L}(x_{k+1},y) - \mathcal{L}(x,y_{k+1}) \leq& \frac{1}{2\tau}|x-x_k|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_k|^2\\ &-\frac{1}{2\tau}|x-x_{k+1}|^2 - \frac{1}{2\sigma}|y-y_{k+1}|^2 -\frac{1}{2\tau}|x_{k+1}-x_k|^2 - \frac{1}{2\sigma}|y_{k+1}-y_k|^2\\ &+\left\langle x_{k+1}-x,K^*(y-y_k)\right\rangle - \left\langle y_{k+1}-y,K(x-x_{k+1})\right\rangle\\ &\quad + \left\langle y_{k+1}-y,K(x_{k+1}-x_k)\right\rangle\\ \leq& \bigg[\frac{1}{2\tau}|x-x_k|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_k|^2 - \left\langle y-y_k,K(x-x_{k})\right\rangle\bigg]\\ &-\bigg[\frac{1}{2\tau}|x-x_{k+1}|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_{k+1}|^2 - \left\langle y-y_{k+1},K(x-x_{k+1})\right\rangle\bigg]\\ &-\bigg[ \frac{1}{2\tau}|x_{k+1}-x_k|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y_{k+1}-y_k|^2\\ &\qquad - \left\langle x_{k+1}-x_k,K^*(y_{k+1}-y_{k})\right\rangle\bigg]. \end{aligned} \end{equation} Jika K=0K=0, suku campuran dalam setiap tanda kurung siku lenyap, sehingga semua ekspresi itu tidak negatif. Jika K0K\neq0, nonnegativitas mengikuti

Kx,yKxyK(δ2x2+12δy2)12τx2+12σy2\displaystyle \left\langle Kx,y\right\rangle\leq \|Kx\|\|y\|\leq\|K\| \big(\frac{\delta}{2}\|x\|^2 + \frac{1}{2\delta}\|y\|^2\big)\leq \frac{1}{2\tau}\|x\|^2 + \frac{1}{2\sigma}\|y\|^2,

dengan ketaksamaan terakhir diperoleh dari pilihan δ=1τK\delta = \frac{1}{\tau\|K\|} dan fakta bahwa K21τσ\|K\|^2\leq \frac{1}{\tau\sigma}. Penjumlahan terhadap kk menghasilkan k=0N1(xk+1,y)(x,yk+1)[12τ|xx0|2+12σ|yy0|2yy0,K(xx0)].\begin{equation} \sum_{k=0}^{N-1} \mathcal{L}(x_{k+1},y) - \mathcal{L}(x,y_{k+1}) \leq \bigg[\frac{1}{2\tau}|x-x_0|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_0|^2 - \left\langle y-y_0,K(x-x_{0})\right\rangle\bigg]. \end{equation} Karena pemetaan (x,y)(x,y)(x,y)(x,y)\mapsto \mathcal{L}(x,y') - \mathcal{L}(x',y) konveks untuk x,yx',y' tetap, kita memperoleh (XN,y)(x,YN)1Nk=0N1((xk+1,y)(x,yk+1))1N[12τ|xx0|2+12σ|yy0|2yy0,K(xx0)].\begin{equation} \mathcal{L}(X_{N},y) - \mathcal{L}(x,Y_{N})\leq \frac{1}{N}\sum_{k=0}^{N-1} \big(\mathcal{L}(x_{k+1},y) - \mathcal{L}(x,y_{k+1})\big) \leq \frac{1}{N}\bigg[\frac{1}{2\tau}|x-x_0|^2 + \frac{1}{2\sigma}|y-y_0|^2 - \left\langle y-y_0,K(x-x_{0})\right\rangle\bigg]. \end{equation} ◻

Metode pengali arah bergantian (ADMM)

Misalkan f,gΓ0(d)f,g\in\Gamma_0(\mathbb{R}^d), A,B:dmA,B:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R}^m linear, dan zmz\in\mathbb{R}^m. Perhatikan masalah optimisasi berkendala minAx+By=zf(x)+g(y).\begin{equation} \label{eq:admm1} \min_{Ax + By = z} f(x) + g(y). \end{equation} Masalah ini dapat dirumuskan ulang sebagai masalah titik pelana tak berkendala untuk Lagrangian teraugmentasi; yaitu, untuk setiap γ>0\gamma>0, kita mempertimbangkan minx,ysupλLγ(x,y,λ)f(x)+g(y)+λ,Ax+Byz+γ2Ax+Byz2.\begin{equation} \label{eq:admm2} \min_{x,y}\sup_{\lambda} L_\gamma (x,y,\lambda) \coloneqq f(x) + g(y) + \left\langle \lambda,Ax + By - z\right\rangle + \frac{\gamma}{2}\|Ax + By - z\|^2. \end{equation} Pernyataan berikut dapat ditunjukkan secara langsung.

Masalah [eq:admm1] dan [eq:admm2] ekuivalen.

Proof. Latihan! ◻

Salah satu cara langsung untuk menyelesaikan masalah titik pelana tersebut adalah mengoptimalkan secara bergantian terhadap xx dan yy, lalu melakukan langkah kenaikan gradien terhadap λ\lambda: {xk+1=argminxf(x)+λk,Ax+γ2Ax+Bykz2yk+1=argminyg(y)+λk,By+γ2Axk+1+Byz2λk+1=λk+γ(Axk+1+Byk+1z).\begin{equation} \label{duality:eq:admm_algo} \begin{cases} x_{k+1} = \arg\min_{x} f(x) + \left\langle \lambda_k,Ax\right\rangle + \frac{\gamma}{2}\|Ax + By_k - z\|^2\\ y_{k+1} = \arg\min_{y} g(y) + \left\langle \lambda_k,By\right\rangle + \frac{\gamma}{2}\|Ax_{k+1} + By - z\|^2\\ \lambda_{k+1} = \lambda_k + \gamma (Ax_{k+1} + By_{k+1} - z). \end{cases} \end{equation} Perhatikan bahwa γ\gamma digunakan sebagai ukuran langkah untuk kenaikan gradien. Pilihan ini dapat dimotivasi secara intuitif oleh fakta bahwa, berdasarkan definisi pembaruan, 0g(yk+1)+B*λk+γB*(Axk+1+Byk+1z).\begin{equation} \label{duality:eq:admm3} \begin{aligned} 0 \in \partial g(y_{k+1}) + B^* \lambda_k + \gamma B^*(Ax_{k+1} + By_{k+1}-z). \end{aligned} \end{equation} Dengan mengalikan pembaruan λ\lambda oleh B*B^* dan memasukkannya ke [duality:eq:admm3], diperoleh B*λk+1g(yk+1).\begin{equation} B^*\lambda_{k+1} \in -\partial g(y_{k+1}). \end{equation} Dengan demikian, tripel ADMM yang benar-benar diperbarui melalui [duality:eq:admm_algo] memenuhi 0yL0(xk+1,yk+1,λk+1).0\in\partial_y L_0(x_{k+1},y_{k+1},\lambda_{k+1}). Pembaruan bergantian tersebut pada umumnya tidak memberikan stasioneritas terhadap xx, karena submasalah xx masih memakai yky_k. Hanya dalam skema hipotetis yang meminimumkan xx dan yy secara bersama kondisi serupa diperoleh terhadap xx, sehingga tripel hasil pembaruan bersama itu memenuhi stasioneritas primal penuh untuk L0L_0. Kita dapat menunjukkan hasil konvergensi dasar berikut untuk ADMM.

Ambil γ>0\gamma>0. Andaikan terdapat suatu titik pelana dari L0(x,y,λ)L_0(x,y,\lambda) dan, pada setiap iterasi, kedua submasalah minimisasi dalam algoritme ADMM di atas mencapai minimumnya; pilih sembarang peminimum tersebut. Dengan rkAxk+Bykzr_k\coloneq Ax_k+By_k-z, berlaku rk0r_k\rightarrow0, B(yk+1yk)0B(y_{k+1}-y_k)\rightarrow0, dan f(xk)+g(yk)minAx+By=zf(x)+g(y).\begin{equation} f(x_k)+g(y_k) \rightarrow \min_{Ax + By = z} f(x) + g(y). \end{equation}

Proof. Bukti menggunakan suatu teknik penting, yaitu fungsional Lyapunov. Kita mendefinisikan fungsional V(y,λ)V(y,\lambda) yang tidak negatif (terbatas dari bawah) dan menurun sepanjang iterasi. Pada dasarnya, fungsional Lyapunov menggantikan fungsi objektif ketika penurunan objektif itu sendiri tidak dapat dibuktikan. Dalam kasus ini, kita menggunakan V(y,λ)=γB(yy*)2+γ1λλ*2,\begin{equation} V(y,\lambda) = \gamma \|B(y-y^*)\|^2 + \gamma^{-1} \|\lambda-\lambda^*\|^2, \end{equation} dengan (x*,y*,λ*)(x^*,y^*,\lambda^*) suatu titik pelana bagi L0L_0. Penurunan fungsional Lyapunov akan memberikan konvergensi melalui argumen penjumlahan teleskopik yang lazim. Akan tetapi, pembuktian penurunan ini memerlukan beberapa taksiran teknis. Demi kesederhanaan, tuliskan residu rkAxk+Bykzr_k \coloneq Ax_k + By_k-z dan nilai objektif pkf(xk)+g(yk)p_k \coloneq f(x_k) + g(y_k); gunakan pula r*r^* dan p*p^* untuk titik pelana. Bukti dibagi menjadi tiga langkah.

Langkah 1

Karena (x*,y*,λ*)(x^*,y^*,\lambda^*) merupakan titik pelana bagi L0L_0, untuk setiap kk berlaku L0(x*,y*,λ*)L0(xk+1,yk+1,λ*)L_0(x^*,y^*,\lambda^*)\leq L_0(x_{k+1},y_{k+1},\lambda^*). Pernyataan ini ekuivalen dengan p*pk+1λ*,rk+1.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm1} p^*-p_{k+1}\leq \left\langle \lambda^*,r_{k+1}\right\rangle. \end{equation}

Langkah 2

Di sisi lain, berdasarkan optimalitas xk+1x_{k+1} dan yk+1y_{k+1} dalam [duality:eq:admm_algo], kita memperoleh 0f(xk+1)+A*λk+γA*(rk+1+B(ykyk+1))0g(yk+1)+B*λk+γB*rk+1.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm2} \begin{aligned} 0 &\in \partial f(x_{k+1}) + A^*\lambda_k + \gamma A^*(r_{k+1} + B(y_k-y_{k+1}))\\ 0 &\in \partial g(y_{k+1}) + B^*\lambda_k + \gamma B^*r_{k+1}. \end{aligned} \end{equation} Selain itu, pembaruan λ\lambda dapat ditulis sebagai λk+1=λk+γrk+1\lambda_{k+1} = \lambda_k + \gamma r_{k+1}, sehingga A*λk+1=A*λk+γA*rk+1B*λk+1=B*λk+γB*rk+1.\begin{equation} \begin{aligned} A^* \lambda_{k+1} &= A^*\lambda_k + \gamma A^*r_{k+1}\\ B^* \lambda_{k+1} &= B^*\lambda_k + \gamma B^*r_{k+1}. \end{aligned} \end{equation} Ketika dimasukkan ke [duality:eq:proof_admm2], persamaan ini memberikan 0f(xk+1)+A*(λk+1+γB(ykyk+1))0g(yk+1)+B*λk+1.\begin{equation} \begin{aligned} 0 &\in \partial f(x_{k+1}) + A^*(\lambda_{k+1} + \gamma B(y_k-y_{k+1}))\\ 0 &\in \partial g(y_{k+1}) + B^*\lambda_{k+1}. \end{aligned} \end{equation} Hal ini menyiratkan bahwa xk+1x_{k+1} meminimumkan xf(x)+Ax,λk+1+γB(ykyk+1),\begin{equation} x\mapsto f(x) + \left\langle A x,\lambda_{k+1} + \gamma B(y_k-y_{k+1})\right\rangle, \end{equation} sedangkan yk+1y_{k+1} meminimumkan yg(y)+By,λk+1.\begin{equation} y\mapsto g(y) + \left\langle By,\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{equation} Akibatnya, dari optimalitas diperoleh f(xk+1)+Axk+1,λk+1+γB(ykyk+1)+g(yk+1)+Byk+1,λk+1f(x*)+Ax*,λk+1+γB(ykyk+1)+g(y*)+By*,λk+1.\begin{equation} \begin{aligned} f(x_{k+1}) + &\left\langle A x_{k+1},\lambda_{k+1} + \gamma B(y_k-y_{k+1})\right\rangle + g(y_{k+1}) + \left\langle By_{k+1},\lambda_{k+1}\right\rangle\\ &\leq f(x^*) + \left\langle Ax^*,\lambda_{k+1} + \gamma B(y_k-y_{k+1})\right\rangle + g(y^*) + \left\langle By^*,\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Karena titik pelana pasti memenuhi Ax*+By*=zAx^* + By^* = z, sedikit penyusunan ulang memberikan pk+1p*γA(x*xk+1),B(ykyk+1)rk+1,λk+1.\begin{equation} \begin{aligned} p_{k+1} - p^* \leq \gamma \left\langle A (x^*-x_{k+1}),B(y_k-y_{k+1})\right\rangle - \left\langle r_{k+1},\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Terakhir, kita dapat memasukkan A(x*xk+1)=zBy*(rk+1+zByk+1)=rk+1+B(yk+1y*)A(x^* - x_{k+1}) = z - By^* - (r_{k+1} + z - By_{k+1}) = -r_{k+1} + B(y_{k+1}-y^*) untuk memperoleh pk+1p*γrk+1+B(yk+1y*),B(yk+1yk)rk+1,λk+1.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm3} \begin{aligned} p_{k+1} - p^* \leq -\gamma \left\langle -r_{k+1} + B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle - \left\langle r_{k+1},\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{aligned} \end{equation}

Langkah 3

Dengan menjumlahkan [duality:eq:proof_admm1] dan [duality:eq:proof_admm3], lalu mengalikan dengan 22, diperoleh 2γrk+1,B(yk+1yk)+2γB(yk+1y*),B(yk+1yk)+2rk+1,λk+1λ*0.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm4} -2\gamma \left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + 2\gamma\left\langle B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + 2\left\langle r_{k+1},\lambda_{k+1}-\lambda^*\right\rangle\leq 0. \end{equation} Kita akan mengolah ketaksamaan ini. Suku ketiga dapat ditulis ulang menggunakan λk+1=λk+γrk+1\lambda_{k+1} = \lambda_k + \gamma r_{k+1} sebagai 2rk+1,λk+1λ*=γrk+12+γrk+12+2rk+1,λkλ*.\begin{equation} 2\left\langle r_{k+1},\lambda_{k+1}-\lambda^*\right\rangle = \gamma\|r_{k+1}\|^2 + \gamma\|r_{k+1}\|^2 + 2\left\langle r_{k+1},\lambda_k -\lambda^*\right\rangle. \end{equation} Dengan mengganti rk+1=(λk+1λk)/γr_{k+1} = (\lambda_{k+1}-\lambda_k)/\gamma pada dua suku terakhir, diperoleh γrk+12+γ1λk+1λk2+2γ1λk+1λk,λkλ*.\begin{equation} \gamma\|r_{k+1}\|^2 + \gamma^{-1}\|\lambda_{k+1}-\lambda_k\|^2 + 2\gamma^{-1}\left\langle \lambda_{k+1}-\lambda_k,\lambda_k -\lambda^*\right\rangle. \end{equation} Dengan mengganti λk+1λk=λk+1λ*+λ*λk\lambda_{k+1}-\lambda_k = \lambda_{k+1}-\lambda^* + \lambda^* - \lambda_k di atas, bentuk ini ekuivalen dengan γrk+12+γ1(λk+1λ*2λkλ*2).\begin{equation} \gamma\|r_{k+1}\|^2 + \gamma^{-1}\big(\|\lambda_{k+1}-\lambda^*\|^2 - \|\lambda_{k}-\lambda^*\|^2\big). \end{equation} Jadi, [duality:eq:proof_admm4] ekuivalen dengan 02γrk+1,B(yk+1yk)+2γB(yk+1y*),B(yk+1yk)+γrk+12+γ1(λk+1λ*2λkλ*2).\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm5} \begin{aligned} 0\geq&-2\gamma \left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + 2\gamma\left\langle B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + \gamma\|r_{k+1}\|^2 \\ &+ \gamma^{-1}\big(\|\lambda_{k+1}-\lambda^*\|^2 - \|\lambda_{k}-\lambda^*\|^2\big). \end{aligned} \end{equation} Sekarang kita tulis ulang tiga suku pertama, 2γrk+1,B(yk+1yk)+2γB(yk+1y*),B(yk+1yk)+γrk+12.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm6} -2\gamma \left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + 2\gamma\left\langle B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + \gamma\|r_{k+1}\|^2. \end{equation} Dengan memperhatikan bahwa 2rk+1,B(yk+1yk)+rk+12=rk+1B(yk+1yk)2B(yk+1yk)2,\begin{equation} -2\left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle + \|r_{k+1}\|^2 = \|r_{k+1} - B(y_{k+1}-y_k)\|^2 - \|B(y_{k+1}-y_k)\|^2, \end{equation} kita mendapatkan bahwa [duality:eq:proof_admm5] ekuivalen dengan γrk+1B(yk+1yk)2γB(yk+1yk)2+2γB(yk+1y*),B(yk+1yk),\begin{equation} \gamma \|r_{k+1} - B(y_{k+1}-y_k)\|^2 - \gamma\|B(y_{k+1}-y_k)\|^2 + 2\gamma\left\langle B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle, \end{equation} yang ekuivalen dengan γrk+1B(yk+1yk)2+γ(B(yk+1y*)2B(yky*)2).\begin{equation} \gamma \|r_{k+1} - B(y_{k+1}-y_k)\|^2 + \gamma\big( \|B(y_{k+1}-y^*)\|^2 - \|B(y_{k}-y^*)\|^2\big). \end{equation} Secara keseluruhan, [duality:eq:proof_admm5] kemudian menghasilkan 0γrk+1B(yk+1yk)2+γ(B(yk+1y*)2B(yky*)2)+γ1(λk+1λ*2λkλ*2).\begin{equation} 0\geq \gamma \|r_{k+1} - B(y_{k+1}-y_k)\|^2 + \gamma\big( \|B(y_{k+1}-y^*)\|^2 - \|B(y_{k}-y^*)\|^2\big) + \gamma^{-1}\big(\|\lambda_{k+1}-\lambda^*\|^2 - \|\lambda_{k}-\lambda^*\|^2\big). \end{equation} Terakhir, perhatikan bahwa rk+1B(yk+1yk)2=rk+12+B(yk+1yk)22rk+1,B(yk+1yk).\begin{equation} \|r_{k+1} - B(y_{k+1}-y_k)\|^2 =\|r_{k+1}\|^2 + \|B(y_{k+1}-y_k)\|^2 - 2\left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle. \end{equation} Kita ingin menunjukkan bahwa suku rk+1,B(yk+1yk)0.\begin{equation} \left\langle r_{k+1},B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle \leq 0. \end{equation} Untuk k1k\geq 1, ingat bahwa yky_k meminimumkan g(y)+By,λkg(y) + \left\langle By,\lambda_k\right\rangle. Dengan demikian, g(yk)+Byk,λkg(yk+1)+Byk+1,λkg(yk+1)+Byk+1,λk+1g(yk)+Byk,λk+1.\begin{equation} \begin{aligned} g(y_k) + \left\langle By_k,\lambda_k\right\rangle &\leq g(y_{k+1}) + \left\langle By_{k+1},\lambda_k\right\rangle\\ g(y_{k+1}) + \left\langle By_{k+1},\lambda_{k+1}\right\rangle &\leq g(y_k) + \left\langle By_k,\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Penjumlahan kedua ketaksamaan memberikan B(yk+1yk),λk+1λk0.\begin{equation} \begin{aligned} \left\langle B(y_{k+1}-y_k),\lambda_{k+1}-\lambda_k\right\rangle \leq 0. \end{aligned} \end{equation} Dengan memasukkan λk+1λk=γrk+1\lambda_{k+1}-\lambda_k = \gamma r_{k+1}, diperoleh tanda yang diinginkan. Oleh karena itu, V(yk+1,λk+1)+γrk+12+γB(yk+1yk)2V(yk,λk),k1.\begin{equation} V(y_{k+1},\lambda_{k+1}) + \gamma\|r_{k+1}\|^2 + \gamma\|B(y_{k+1}-y_k)\|^2 \leq V(y_{k},\lambda_{k}),\qquad k\geq1. \end{equation} Menjumlahkan terhadap kk menghasilkan, untuk K2K\geq2, k=1K1γ(rk+12+B(yk+1yk)2)V(y1,λ1).\begin{equation} \sum_{k=1}^{K-1}\gamma\big(\|r_{k+1}\|^2 + \|B(y_{k+1}-y_k)\|^2\big) \leq V(y_{1},\lambda_{1}). \end{equation} Dari penurunan fungsional Lyapunov, segera diperoleh bahwa λk\lambda_k dan BykBy_k merupakan barisan terbatas. Selain itu, {rk0B(yk+1yk)0.\begin{equation} \label{duality:eq:proof_admm7} \begin{cases} r_k&\rightarrow 0\\ B(y_{k+1}-y_k)&\rightarrow 0. \end{cases} \end{equation} Berdasarkan [duality:eq:proof_admm1] dan [duality:eq:proof_admm3], kita mempunyai λ*,rk+1pk+1p*γrk+1+B(yk+1y*),B(yk+1yk)rk+1,λk+1.\begin{equation} \begin{aligned} -\left\langle \lambda^*,r_{k+1}\right\rangle\leq p_{k+1}-p^*\leq -\gamma\left\langle -r_{k+1} + B(y_{k+1}-y^*),B(y_{k+1}-y_k)\right\rangle - \left\langle r_{k+1},\lambda_{k+1}\right\rangle. \end{aligned} \end{equation} Kemudian [duality:eq:proof_admm7] dan keterbatasan BykBy_k menyiratkan bahwa pkp*p_{k}\rightarrow p^*. ◻

Penurunan Gradien Stokastik

Andaikan kita ingin menyelesaikan minxf(x),\begin{equation} \min_x f(x), \end{equation} tetapi hanya mempunyai akses ke estimasi acak yang tak bias bagi suatu subgradien ff. Artinya, kita mengandaikan dapat mengevaluasi G(x,z)G(x,z) yang memenuhi 𝔼[G(x,Z)]f(x),\begin{equation} \label{stochastic:eq:gradient} \mathbb{E}[G(x,Z)] \in \partial f(x), \end{equation} dengan ZZ suatu peubah acak. Ternyata banyak bukti konvergensi dapat dialihkan ke latar stokastik ini dengan hampir tanpa upaya tambahan. Sebelum menunjukkannya, mari kita berikan motivasi untuk latar ini.

Dalam pembelajaran mesin modern, banyak masalah pembelajaran dapat dirumuskan sebagai masalah jumlah hingga. Agar pengambilan sampel seragam menghasilkan estimator gradien yang tak bias, kita memakai normalisasi rerata minxf(x)1Ni=1Nfi(x),\begin{equation} \min_x f(x)\coloneqq \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N f_i(x), \end{equation} dengan NN biasanya merupakan banyaknya sampel pelatihan. Sebagai contoh, andaikan kita ingin mempelajari pemetaan berparameter fθf_\theta yang seharusnya menghampiri relasi xyx\mapsto y berdasarkan data pelatihan (xi,yi)i=1N(x_i,y_i)_{i=1}^N. Masalah pelatihannya dapat berupa minθ1Ni=1Nyifθ(xi)2.\begin{equation} \min_\theta \frac{1}{N}\sum_{i=1}^N \|y_i-f_\theta(x_i)\|^2. \end{equation} Karena ukuran data pelatihan yang dijumpai, sering kali gradien penuh ff tidak dapat dihitung secara langsung akibat keterbatasan memori. Jika semua fif_i terdiferensialkan, salah satu jalan keluarnya adalah pembaruan stokastik {Pilih i secara seragamxk+1=xkτfi(xk)\begin{equation} \begin{cases} \text{Pilih $i\in\mathcal{I}$ secara seragam}\\ x_{k+1} = x_k - \tau \nabla f_i(x_k) \end{cases} \end{equation} dengan ={1,,N}\mathcal{I}=\{1,\dots,N\}. Dengan mendefinisikan (Zk)k(Z_k)_k sebagai barisan peubah acak iid yang berdistribusi seragam pada \mathcal{I}, pembaruan di atas dapat ditulis sebagai xk+1=xkτG(xk,Zk)\begin{equation} x_{k+1} = x_k - \tau G(x_k,Z_k) \end{equation} dengan G(x,z)fz(x)G(x,z) \coloneqq \nabla f_z(x). Memang, 𝔼[G(x,Z)]=N1i=1Nfi(x)=f(x)\mathbb{E}[G(x,Z)]=N^{-1}\sum_{i=1}^N\nabla f_i(x)=\nabla f(x), sehingga GG memenuhi [stochastic:eq:gradient].

Misalkan CdC\subseteq\mathbb{R}^d tak kosong, tertutup, dan konveks, serta misalkan f:df:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R} konveks dan LL-Lipschitz. Andaikan masalah minxCf(x)\min_{x\in C}f(x) mempunyai solusi, pilih x*argminxCf(x)x^*\in\arg\min_{x\in C}f(x), dan ambil x0Cx_0\in C. Untuk k0k\geq0, misalkan GkG(xk,Zk)G_k\coloneqq G(x_k,Z_k) dan jalankan iterasi terproyeksi xk+1=projC(xkτkGk)x_{k+1}=\operatorname{proj}_C(x_k-\tau_kG_k) dengan τk>0\tau_k>0.

Tuliskan k=σ(x0,Z0,,Zk1)\mathcal F_k=\sigma(x_0,Z_0,\dots,Z_{k-1}), sehingga xkx_k terukur terhadap k\mathcal F_k, dan definisikan gk𝔼[Gkk]\bar g_k\coloneqq\mathbb{E}[G_k\mid\mathcal F_k]. Andaikan, hampir pasti untuk setiap kk, {gkf(xk),𝔼[Gkgk2k]σ2<.\begin{equation} \begin{cases} \bar g_k \in \partial f(x_k),\\ \mathbb{E}[\|G_k-\bar g_k\|^2\mid\mathcal F_k]\leq \sigma^2<\infty. \end{cases} \end{equation} Andaikan pula ukuran langkah memenuhi k=0K1τk,k=0K1τk2k=0K1τk0ketika K.\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k\longrightarrow\infty, \qquad \frac{\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k^2}{\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k}\longrightarrow0 \quad\text{ketika }K\longrightarrow\infty. Untuk K1K\geq1, definisikan fbestKmin0kK1f(xk)f_{\mathrm{best}}^K\coloneqq\min_{0\leq k\leq K-1}f(x_k). Maka 𝔼[fbestKf(x*)]0\mathbb{E}[f_{\mathrm{best}}^K-f(x^*)]\rightarrow0 ketika KK\rightarrow\infty.

Proof. Karena x*Cx^*\in C, kita mempunyai projC(x*)=x*\operatorname{proj}_C(x^*)=x^*. Ketakmembangan proyeksi metrik memberikan xk+1x*2=projC(xkτkGk)projC(x*)2xkτkGkx*2=xkx*22τkxkx*,Gk+τk2Gk2.\begin{equation} \begin{aligned} \|x_{k+1}-x^*\|^2 &= \|\operatorname{proj}_C(x_{k}-\tau_k G_k)-\operatorname{proj}_C(x^*)\|^2\\ &\leq \|x_{k}-\tau_k G_k-x^*\|^2\\ &= \|x_{k}-x^*\|^2 - 2\tau_k\left\langle x_k-x^*,G_k\right\rangle + \tau_k^2\|G_k\|^2. \end{aligned} \end{equation} Perhatikan bahwa sifat terukur xkx_k dan ketakbiasan bersyarat memberi 𝔼[xkx*,Gk]=𝔼[𝔼[xkx*,Gkk]]=𝔼[xkx*,gk]𝔼[f(xk)f(x*)]=𝔼[f(xk)]f(x*),\begin{equation} \begin{aligned} \mathbb{E}[\left\langle x_k-x^*,G_k\right\rangle] &= \mathbb{E}\!\left[\mathbb{E}[\left\langle x_k-x^*,G_k\right\rangle\mid\mathcal F_k]\right]\\ &= \mathbb{E}[\left\langle x_k-x^*,\bar g_k\right\rangle]\\ &\geq \mathbb{E}[f(x_k)-f(x^*)]\\ &= \mathbb{E}[f(x_k)]-f(x^*), \end{aligned} \end{equation} dengan ketaksamaan subgradien pada baris ketiga. Karena fungsi konveks ff bersifat LL-Lipschitz pada d\mathbb{R}^d, setiap subgradiennya mempunyai norma paling besar LL. Identitas momen kedua bersyarat kemudian menghasilkan 𝔼[Gk2k]=𝔼[Gkgk2k]+gk2σ2+L2M2.\begin{equation} \mathbb{E}[\|G_k\|^2\mid\mathcal F_k] = \mathbb{E}[\|G_k-\bar g_k\|^2\mid\mathcal F_k]+\|\bar g_k\|^2 \leq \sigma^2+L^2\coloneqq M^2. \end{equation} Dengan mengambil ekspektasi pada ketaksamaan pertama, diperoleh 𝔼[xk+1x*2]𝔼[xkx*2]2τk(𝔼[f(xk)]f(x*))+τk2M2.\begin{equation} \begin{aligned} \mathbb{E}[\|x_{k+1}-x^*\|^2] \leq \mathbb{E}[\|x_k-x^*\|^2] -2\tau_k\big(\mathbb{E}[f(x_k)]-f(x^*)\big) +\tau_k^2M^2. \end{aligned} \end{equation} Selebihnya mengikuti argumen pada kasus deterministik. Menjumlahkan dari k=0k=0 sampai K1K-1, memakai ketaknegatifan suku jarak terakhir, lalu membagi dengan 22 memberikan k=0K1τk(𝔼[f(xk)]f(x*))12x0x*2+M22k=0K1τk2.\begin{equation} \begin{aligned} \sum_{k=0}^{K-1}\tau_k\big(\mathbb{E}[f(x_k)]-f(x^*)\big) \leq \frac{1}{2}\|x_0-x^*\|^2 +\frac{M^2}{2}\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k^2. \end{aligned} \end{equation} Definisikan SKk=0K1τk,QKk=0K1τk2.\begin{equation} S_K\coloneqq\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k, \qquad Q_K\coloneqq\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k^2. \end{equation} Karena τk>0\tau_k>0, minimum terbaik tidak melebihi rerata berbobot. Oleh karena itu, 𝔼[fbestKf(x*)]k=0K1τk𝔼[f(xk)f(x*)]SKx0x*22SK+M2QK2SK.\begin{equation} \begin{aligned} \mathbb{E}[f_{\mathrm{best}}^K-f(x^*)] &\leq \frac{\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k\mathbb{E}[f(x_k)-f(x^*)]}{S_K}\\ &\leq \frac{\|x_0-x^*\|^2}{2S_K} +\frac{M^2Q_K}{2S_K}. \end{aligned} \end{equation} Berdasarkan kedua syarat ukuran langkah, 0𝔼[fbestKf(x*)]x0x*22SK+M2QK2SK0(K).\begin{equation} 0\leq\mathbb{E}[f_{\mathrm{best}}^K-f(x^*)] \leq\frac{\|x_0-x^*\|^2}{2S_K} +\frac{M^2Q_K}{2S_K} \longrightarrow0 \qquad(K\rightarrow\infty). \end{equation} ◻

Selingan tentang Transportasi Optimal

Meskipun tidak sepenuhnya menyatu dengan kuliah ini, kita menutupnya dengan suatu selingan mengenai transportasi optimal, bidang yang sangat penting dalam matematika modern dan pembelajaran mesin. Perlu ditekankan sejak awal bahwa uraian ini hanya pengantar singkat; sejumlah rincian teori ukuran dan topologi yang mendasarinya akan dinyatakan seperlunya.

Notasi

Dalam bagian berikut, (X,ΣX)(X,\Sigma_X) dan (Y,ΣY)(Y,\Sigma_Y) adalah ruang terukur13. Tuliskan 𝒫(X)\mathcal{P}(X) dan 𝒫(Y)\mathcal{P}(Y) untuk himpunan semua ukuran probabilitas, (X)\mathcal{M}(X) dan (Y)\mathcal{M}(Y) untuk ruang ukuran bertanda hingga, serta +(X)\mathcal{M}_+(X) dan +(Y)\mathcal{M}_+(Y) untuk kerucut ukuran tak negatif hingga. Ingat bahwa ukuran bertanda μ\mu pada XX adalah fungsi μ:ΣX\mu:\Sigma_X\rightarrow\mathbb{R}, sedangkan ukuran tak negatif bernilai dalam [0,)[0,\infty), dengan ΣX2X\Sigma_X\subseteq2^X suatu aljabar-σ\sigma14, dan memenuhi

  1. μ()=0\mu(\emptyset)=0;

  2. untuk setiap barisan (An)nΣX(A_n)_{n\in\mathbb{N}}\subset\Sigma_X yang saling lepas, berlaku μ(nAn)=nμ(An)\mu(\bigcup_n A_n)=\sum_n\mu(A_n).

Ukuran probabilitas adalah ukuran tak negatif dengan μ(X)=1\mu(X)=1.

Transportasi optimal Monge dan Kantorovich

Deskripsi figur nonraster. Ilustrasi transportasi optimal. Peta TT mengangkut tumpukan dari α\alpha ke β\beta.

Motivasi khas untuk transportasi optimal adalah sebagai berikut. Bayangkan kita ingin memindahkan setumpuk pasir dari satu tempat ke tempat lain. Berdasarkan kekekalan massa, kedua tumpukan mempunyai massa total yang sama; tanpa mengurangi keumuman, kita andaikan massanya satu. Karena itu, tumpukan awal dapat digambarkan oleh distribusi probabilitas α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X) dan tumpukan akhir oleh distribusi probabilitas β𝒫(Y)\beta\in\mathcal{P}(Y). Pertanyaan yang hendak dijawab dalam transportasi optimal adalah:

Bagaimana kita dapat mengangkut tumpukan α\alpha ke β\beta dengan biaya minimum?

Pembaca yang teliti mungkin menyadari bahwa biaya belum ditentukan. Andaikan tersedia fungsi biaya terukur yang terbatas dari bawah, c:X×Y(,+]c:X\times Y\rightarrow(-\infty,+\infty], dengan c(x,y)c(x,y) menyatakan biaya untuk mengangkut satu satuan massa dari xXx\in X ke yYy\in Y. Setiap transportasi deterministik dari α\alpha ke β\beta dimodelkan oleh pemetaan terukur T:XYT:X\rightarrow Y. Syarat pengangkutan dapat dirumuskan dengan meminta α(T1(A))=β(A)\alpha(T^{-1}(A))=\beta(A) untuk setiap AΣYA\in\Sigma_Y. Ini mengantar kita pada definisi berikut.

Misalkan α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X) dan T:XYT:X\rightarrow Y terukur. Ukuran hasil dorong Tα𝒫(Y)T_\sharp\alpha\in\mathcal{P}(Y) didefinisikan oleh Tα(A)=α(T1(A))T_\sharp\alpha(A)=\alpha(T^{-1}(A)) untuk setiap AΣYA\in\Sigma_Y.

Sekarang kita dapat memperkenalkan secara formal masalah Monge untuk transportasi optimal:

Misalkan XX dan YY ruang terukur, α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X), β𝒫(Y)\beta\in\mathcal{P}(Y), dan cc fungsi biaya terukur yang terbatas dari bawah. Masalah Monge untuk transportasi optimal adalah infT:XYterukurTα=βc(x,T(x))dα(x),inf+.\begin{equation} \label{ot:eq:monge} \inf_{\substack{T:X\rightarrow Y\ \mathrm{terukur}\\T_\sharp\alpha=\beta}} \int c(x,T(x))\mathrm{d}\alpha(x), \qquad \inf\emptyset\coloneqq+\infty. \end{equation}

Masalah Monge untuk transportasi optimal mempunyai beberapa kekurangan. Sebagai contoh, setiap xx hanya dapat dipetakan oleh TT ke satu titik yy, sehingga massa pada satu titik xx tidak dapat dibagi ke beberapa titik yy. Karena itu, apabila α\alpha memberikan massa tak nol pada suatu titik, YqY\subseteq\mathbb{R}^q, dan β\beta kontinu mutlak terhadap ukuran Lebesgue15, tidak ada peta TT yang memenuhi syarat. Selain itu, bergantung pada pilihan cc, masalah ini umumnya sulit dianalisis karena peubah tak diketahui TT muncul di dalam biaya cc.

Perumusan yang lebih umum dan lebih mudah dianalisis adalah transportasi optimal Kantorovich. Alih-alih memakai peta T:XYT:X\rightarrow Y, transportasi juga dimodelkan oleh suatu distribusi. Suatu rencana transportasi adalah distribusi probabilitas γ\gamma pada ruang hasil kali terukur X×YX\times Y yang mempunyai α\alpha dan β\beta sebagai marginalnya: γ(A×Y)=α(A)\gamma(A\times Y)=\alpha(A) dan γ(X×B)=β(B)\gamma(X\times B)=\beta(B) untuk semua AΣXA\in\Sigma_X dan BΣYB\in\Sigma_Y. Secara intuitif, γ(A×B)\gamma(A\times B) adalah massa yang diangkut dari AA ke BB. Himpunan semua distribusi dengan marginal α,β\alpha,\beta dilambangkan dengan Π(α,β)\Pi(\alpha,\beta) dan anggotanya disebut kopling (coupling). Sekarang kita dapat mendefinisikan masalah Kantorovich untuk transportasi optimal.

Misalkan XX dan YY ruang terukur, α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X), β𝒫(Y)\beta\in\mathcal{P}(Y), dan cc fungsi biaya terukur. Masalah Kantorovich untuk transportasi optimal adalah infγΠ(α,β)c(x,y)dγ(x,y).\begin{equation} \label{ot:eq:K_ot} \inf_{\gamma\in\Pi(\alpha,\beta)} \int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y). \end{equation}

Perhatikan bahwa [ot:eq:K_ot] jauh lebih menguntungkan daripada [ot:eq:monge]. Secara khusus, objektifnya kini linear.

Kita juga dapat merumuskan [ot:eq:K_ot] dengan peubah acak. Setiap kopling γ\gamma dapat direalisasikan sebagai vektor acak (X,Y)γ(X,Y)\sim\gamma dengan XαX\sim\alpha dan YβY\sim\beta. Biayanya kemudian memenuhi c(x,y)dγ(x,y)=𝔼[c(X,Y)].\begin{equation} \int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y)=\mathbb{E}[c(X,Y)]. \end{equation}

Kita nyatakan hasil berikut.

Misalkan XX dan YY ruang Polish yang dilengkapi aljabar-σ\sigma Borelnya, α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X), dan β𝒫(Y)\beta\in\mathcal{P}(Y). Jika c:X×Y(,+]c:X\times Y\rightarrow(-\infty,+\infty] terbatas dari bawah dan semikontinu bawah, maka terdapat rencana transportasi optimal γ̂Π(α,β)\hat\gamma\in\Pi(\alpha,\beta), yaitu solusi untuk [ot:eq:K_ot].

Sketsa bukti. Untuk bukti terperinci, lihat misalnya (Villani 2009, Theorem 4.1). Argumennya adalah metode langsung. Ambil barisan (γn)nΠ(α,β)(\gamma_n)_n\subset\Pi(\alpha,\beta) yang nilai biayanya menuju infimum. Karena α\alpha dan β\beta ketat pada ruang Polish, keluarga kopling dengan kedua marginal tetap juga ketat. Himpunan Π(α,β)\Pi(\alpha,\beta) tertutup terhadap konvergensi lemah; teorema Prokhorov karena itu menyatakan bahwa himpunan tersebut kompak secara lemah. Setelah mengambil suatu subbarisan, diperoleh γnγ̂Π(α,β)\gamma_n\rightharpoonup\hat\gamma\in\Pi(\alpha,\beta). Karena cc semikontinu bawah dan terbatas dari bawah, pemetaan γc(x,y)dγ(x,y)\gamma\mapsto\int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y) semikontinu bawah secara lemah. Maka γ̂\hat\gamma meminimumkan biaya dan bukti selesai. ◻

Satu kasus khusus penting dari transportasi optimal perlu disoroti.

Misalkan (X,d)(X,d) ruang metrik Polish dan p[1,)p\in[1,\infty). Tetapkan x0Xx_0\in X dan tuliskan 𝒫p(X){μ𝒫(X):d(x,x0)pdμ(x)<}\mathcal{P}_p(X)\coloneqq\{\mu\in\mathcal{P}(X):\int d(x,x_0)^p\mathrm{d}\mu(x)<\infty\}; definisi ini tidak bergantung pada pilihan x0x_0. Untuk α,β𝒫p(X)\alpha,\beta\in\mathcal{P}_p(X) dan biaya c(x,y)=d(x,y)pc(x,y)=d(x,y)^p, besaran Wp(α,β)(infγΠ(α,β)d(x,y)pdγ(x,y))1/p\begin{equation} W_p(\alpha,\beta)\coloneqq \bigg(\inf_{\gamma\in\Pi(\alpha,\beta)} \int d(x,y)^p\mathrm{d}\gamma(x,y)\bigg)^{1/p} \end{equation} disebut jarak Wasserstein-pp.

Secara khusus, WpW_p adalah metrik pada ruang ukuran probabilitas bermomen ke-pp hingga, yaitu 𝒫p(X)\mathcal{P}_p(X).

Dualitas Kantorovich

Dari 7 kita telah mengenal konsep dualitas. Dualitas memainkan peran penting dalam transportasi optimal dan menghasilkan teorema terkenal berikut.

Misalkan XX dan YY ruang Polish dengan aljabar-σ\sigma Borelnya, α𝒫(X)\alpha\in\mathcal{P}(X), β𝒫(Y)\beta\in\mathcal{P}(Y), dan c:X×Y[0,]c:X\times Y\rightarrow[0,\infty] semikontinu bawah. Tuliskan Cb(X)C_b(X) dan Cb(Y)C_b(Y) untuk fungsi kontinu terbatas bernilai riil. Maka infγΠ(α,β)c(x,y)dγ(x,y)=supϕCb(X),ψCb(Y)ϕ(x)+ψ(y)c(x,y)(x,y)ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y).\begin{equation} \begin{aligned} \inf_{\gamma\in\Pi(\alpha,\beta)}\int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y) = \sup_{\substack{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)\\ \phi(x)+\psi(y)\leq c(x,y)\ \forall(x,y)}} \int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y). \end{aligned} \end{equation}

Sketsa bukti. Kita mulai dengan ketaksamaan yang mudah. Ambil (ϕ,ψ)Cb(X)×Cb(Y)(\phi,\psi)\in C_b(X)\times C_b(Y) sedemikian sehingga ϕ(x)+ψ(y)c(x,y)\phi(x)+\psi(y)\leq c(x,y) untuk semua (x,y)(x,y), dan ambil sembarang γΠ(α,β)\gamma\in\Pi(\alpha,\beta). Maka ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y)=ϕ(x)dγ(x,y)+ψ(y)dγ(x,y)=(ϕ(x)+ψ(y))dγ(x,y)c(x,y)dγ(x,y).\begin{equation} \begin{aligned} \int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y) &= \int\phi(x)\mathrm{d}\gamma(x,y)+\int\psi(y)\mathrm{d}\gamma(x,y)\\ &= \int\big(\phi(x)+\psi(y)\big)\mathrm{d}\gamma(x,y)\\ &\leq \int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y). \end{aligned} \end{equation} Karena γ\gamma dan (ϕ,ψ)(\phi,\psi) sembarang, kita dapat mengambil infimum di ruas kanan dan supremum di ruas kiri untuk memperoleh supϕCb(X),ψCb(Y)ϕ(x)+ψ(y)c(x,y)(x,y)ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y)infγΠ(α,β)c(x,y)dγ(x,y).\begin{equation} \begin{aligned} \sup_{\substack{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)\\ \phi(x)+\psi(y)\leq c(x,y)\ \forall(x,y)}} \int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y) \leq \inf_{\gamma\in\Pi(\alpha,\beta)} \int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y). \end{aligned} \end{equation} Ketaksamaan sebaliknya lebih rumit. Pertama, kita dapat menulis ulang [ot:eq:K_ot] sebagai infγ+(X×Y){c(x,y)dγ+δΠ(α,β)(γ)},\begin{equation} \inf_{\gamma\in\mathcal{M}_+(X\times Y)} \left\{\int c(x,y)\mathrm{d}\gamma+\delta_{\Pi(\alpha,\beta)}(\gamma)\right\}, \end{equation} dengan δΠ(α,β)\delta_{\Pi(\alpha,\beta)} fungsi indikator seperti biasa. Untuk γ+(X×Y)\gamma\in\mathcal{M}_+(X\times Y), berlaku δΠ(α,β)(γ)=supϕCb(X),ψCb(Y){ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y)(ϕ(x)+ψ(y))dγ(x,y)}.\begin{equation} \label{ot:eq:duality} \begin{aligned} \delta_{\Pi(\alpha,\beta)}(\gamma) &= \sup_{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)} \bigg\{\int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y)\\ &\qquad-\int\big(\phi(x)+\psi(y)\big)\mathrm{d}\gamma(x,y)\bigg\}. \end{aligned} \end{equation} Jika γΠ(α,β)\gamma\in\Pi(\alpha,\beta), ekspresi di dalam supremum pada ruas kanan bernilai nol untuk setiap (ϕ,ψ)(\phi,\psi), sehingga supremumnya nol. Sebaliknya, jika γΠ(α,β)\gamma\notin\Pi(\alpha,\beta), sedikitnya satu marginal berbeda. Ukuran Borel hingga yang berbeda pada ruang Polish dapat dipisahkan oleh suatu fungsi kontinu terbatas; tanpa mengurangi keumuman, terdapat ϕCb(X)\phi\in C_b(X) sedemikian sehingga ϕd(αγx)0,\begin{equation} \int\phi\mathrm{d}(\alpha-\gamma_x)\neq0, \end{equation} dengan γx\gamma_x marginal-xx dari γ\gamma. Mengganti ϕ\phi dengan tϕt\phi dan memilih tanda tt ketika |t||t|\rightarrow\infty menunjukkan bahwa supremumnya adalah ++\infty.

Langkah taktrivial untuk ketaksamaan sebaliknya adalah pertukaran infimum dan supremum. Pertukaran itu tidak mengikuti perhitungan formal semata; di bawah hipotesis ruang Polish dan biaya semikontinu bawah tak negatif di atas, pertukaran tersebut dijamin oleh teorema dualitas Kantorovich standar, lihat (Villani 2009, Theorem 5.10). Dengan justifikasi dualitas kuat ini, diperoleh infγΠ(α,β)c(x,y)dγ(x,y)=infγ+(X×Y)supϕCb(X),ψCb(Y){c(x,y)dγ(x,y)+ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y)(ϕ(x)+ψ(y))dγ(x,y)}=supϕCb(X),ψCb(Y){ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y)+infγ+(X×Y)(c(x,y)ϕ(x)ψ(y))dγ(x,y)}=supϕCb(X),ψCb(Y)ϕ(x)+ψ(y)c(x,y)(x,y)ϕ(x)dα(x)+ψ(y)dβ(y).\begin{equation} \begin{aligned} \inf_{\gamma\in\Pi(\alpha,\beta)} \int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y) &= \inf_{\gamma\in\mathcal{M}_+(X\times Y)} \sup_{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)} \\ &\quad\bigg\{\int c(x,y)\mathrm{d}\gamma(x,y)\\ &\quad+\int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y) \\ &\quad-\int\big(\phi(x)+\psi(y)\big)\mathrm{d}\gamma(x,y)\bigg\}\\ &= \sup_{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)} \bigg\{\int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y)\\ &\quad+\inf_{\gamma\in\mathcal{M}_+(X\times Y)} \int\big(c(x,y)-\phi(x)-\psi(y)\big)\mathrm{d}\gamma(x,y)\bigg\}\\ &= \sup_{\substack{\phi\in C_b(X),\ \psi\in C_b(Y)\\ \phi(x)+\psi(y)\leq c(x,y)\ \forall(x,y)}} \int\phi(x)\mathrm{d}\alpha(x)+\int\psi(y)\mathrm{d}\beta(y). \end{aligned} \end{equation} Pada persamaan terakhir, infimum terhadap ukuran tak negatif bernilai nol jika cϕψ0c-\phi-\psi\geq0 di setiap titik (ambil γ=0\gamma=0), dan bernilai -\infty jika ketaksamaan itu gagal (skalakan massa Dirac pada titik pelanggaran). Ini sama dengan fungsi indikator kendala dual, sebagaimana pada [ot:eq:duality]. ◻

Diskretisasi transportasi optimal: Algoritme Sinkhorn–Knopp

Untuk mendiskretisasi [ot:eq:K_ot], kita modelkan α\alpha dan β\beta sebagai ukuran diskret. Tuliskan Δn{r+n:𝟏nr=1}\Delta_n\coloneqq\{r\in\mathbb{R}_+^n:\mathbf{1}_n^\top r=1\} dan Δn{r++n:𝟏nr=1}\Delta_n^\circ\coloneqq\{r\in\mathbb{R}_{++}^n:\mathbf{1}_n^\top r=1\}. Untuk suatu vektor a=(a1,,an)Δna=(a_1,\dots,a_n)\in\Delta_n dan titik xiXx_i\in X, tetapkan α=i=1naiδxi,\begin{equation} \alpha=\sum_{i=1}^n a_i\delta_{x_i}, \end{equation} dan, serupa dengan itu, untuk b=(b1,,bm)Δmb=(b_1,\dots,b_m)\in\Delta_m dan yjYy_j\in Y, tetapkan β=j=1mbjδyj.\begin{equation} \beta=\sum_{j=1}^m b_j\delta_{y_j}. \end{equation} Selanjutnya, definisikan C=[Ci,j]i,j=[c(xi,yj)]i,jC=[C_{i,j}]_{i,j}=[c(x_i,y_j)]_{i,j}. Rencana transportasi adalah matriks Pn×mP\in\mathbb{R}^{n\times m} sedemikian sehingga {j=1mPi,j=ai,i=1nPi,j=bj,Pi,j0.\begin{equation} \begin{cases} \sum_{j=1}^mP_{i,j}&=a_i,\\ \sum_{i=1}^nP_{i,j}&=b_j,\\ P_{i,j}&\geq0. \end{cases} \end{equation} Kendala marginal dapat ditulis ringkas sebagai P𝟏m=aP\mathbf{1}_m=a dan P𝟏n=bP^\top\mathbf{1}_n=b. Masalah transportasi optimal diskret kemudian berbentuk minPn×mC,P=i,jCi,jPi,jdengan syarat P𝟏m=a,P𝟏n=b,Pi,j0.\begin{equation} \begin{aligned} \min_{P\in\mathbb{R}^{n\times m}}\left\langle C,P\right\rangle &=\sum_{i,j}C_{i,j}P_{i,j}\\ \text{dengan syarat }& P\mathbf{1}_m=a,\quad P^\top\mathbf{1}_n=b,\quad P_{i,j}\geq0. \end{aligned} \end{equation} Dalam praktik, masalah ini sering diregularisasi. Untuk pembahasan regularisasi entropik berikut, andaikan Cn×mC\in\mathbb{R}^{n\times m}, sehingga semua biaya diskret berhingga. Untuk P+n×mP\in\mathbb{R}_+^{n\times m}, definisikan regularisasi entropik E(P)i,jPi,j(log(Pi,j)1),\begin{equation} E(P)\coloneqq\sum_{i,j}P_{i,j}\big(\log(P_{i,j})-1\big), \end{equation} dengan konvensi kontinu 0log0=00\log0=0; di luar ortan tak negatif, tetapkan E(P)=+E(P)=+\infty. Untuk ϵ>0\epsilon>0, pertimbangkan masalah minP+n×mC,P+ϵE(P)dengan syarat P𝟏m=a,P𝟏n=b.\begin{equation} \label{ot:eq:disc_entropic} \begin{aligned} \min_{P\in\mathbb{R}_+^{n\times m}}\left\langle C,P\right\rangle+\epsilon E(P) \quad\text{dengan syarat }P\mathbf{1}_m=a,\quad P^\top\mathbf{1}_n=b. \end{aligned} \end{equation}

Andaikan aΔna\in\Delta_n^\circ, bΔmb\in\Delta_m^\circ, Cn×mC\in\mathbb{R}^{n\times m}, dan ϵ>0\epsilon>0. Solusi masalah [ot:eq:disc_entropic] unik dan mempunyai representasi Pi,j=uiKi,jvj,\begin{equation} P_{i,j}=u_iK_{i,j}v_j, \end{equation} dengan ui,vj>0u_i,v_j>0 dan Ki,j=exp(Ci,jϵ)>0K_{i,j}=\exp\left(-\frac{C_{i,j}}{\epsilon}\right)>0. Vektor penskalaan (u,v)(u,v) unik hingga transformasi (u,v)(tu,t1v)(u,v)\mapsto(tu,t^{-1}v) untuk t>0t>0.

Proof. Himpunan layak adalah politop transportasi tak kosong dan kompak: matriks Q=abQ=ab^\top layak, bahkan Qi,j>0Q_{i,j}>0. Karena fungsi objektif kontinu pada politop ini, suatu peminimum ada. Fungsi h(t)=t(logt1)h(t)=t(\log t-1) dengan h(0)=0h(0)=0 bersifat konveks ketat pada [0,)[0,\infty); karena itu, jumlah entropik bersifat konveks ketat dan peminimumnya unik.

Peminimum PP tidak dapat mempunyai entri nol. Memang, jika Pi,j=0P_{i,j}=0 untuk sedikitnya satu pasangan (i,j)(i,j), maka Pt=(1t)P+tQP_t=(1-t)P+tQ tetap layak untuk t(0,1)t\in(0,1). Pada setiap entri nol, turunan searah satu sisi dari suku entropi memenuhi ddth(tQi,j)=Qi,jlog(tQi,j)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}h(tQ_{i,j})=Q_{i,j}\log(tQ_{i,j}) \rightarrow-\infty ketika t0t\downarrow0, sedangkan kontribusi biaya linear dan turunan pada entri positif tetap hingga. Jadi, untuk t>0t>0 yang cukup kecil, nilai objektif pada PtP_t lebih kecil daripada pada PP, suatu kontradiksi. Dengan demikian, Pi,j>0P_{i,j}>0 untuk semua i,ji,j, dan kondisi pengali Lagrange untuk kendala marginal afin dapat diterapkan.

Lagrangian masalah ini adalah L(P,λ,μ)=C,P+ϵE(P)+λ,P𝟏ma+μ,P𝟏nb.\begin{equation} L(P,\lambda,\mu) =\left\langle C,P\right\rangle+\epsilon E(P) +\left\langle \lambda,P\mathbf{1}_m-a\right\rangle +\left\langle \mu,P^\top\mathbf{1}_n-b\right\rangle. \end{equation} Kondisi optimalitasnya adalah {0=Ci,j+ϵlog(Pi,j)+λi+μj,0=P𝟏ma,0=P𝟏nb.\begin{equation} \begin{cases} 0&=C_{i,j}+\epsilon\log(P_{i,j})+\lambda_i+\mu_j,\\ 0&=P\mathbf{1}_m-a,\\ 0&=P^\top\mathbf{1}_n-b. \end{cases} \end{equation} Kondisi pertama menyiratkan Pi,j=exp(λiϵ)exp(Ci,jϵ)exp(μjϵ).\begin{equation} P_{i,j} =\exp\left(-\frac{\lambda_i}{\epsilon}\right) \exp\left(-\frac{C_{i,j}}{\epsilon}\right) \exp\left(-\frac{\mu_j}{\epsilon}\right). \end{equation} Dengan ui=exp(λi/ϵ)u_i=\exp(-\lambda_i/\epsilon) dan vj=exp(μj/ϵ)v_j=\exp(-\mu_j/\epsilon), diperoleh representasi yang dinyatakan. Jika pasangan positif (ũ,ṽ)(\tilde u,\tilde v) menghasilkan rencana yang sama, maka dari uiKi,jvj=ũiKi,jṽju_iK_{i,j}v_j=\tilde u_iK_{i,j}\tilde v_j dan Ki,j>0K_{i,j}>0 diperoleh ũi/ui=vj/ṽj\tilde u_i/u_i=v_j/\tilde v_j untuk setiap i,ji,j. Karena ruas kiri hanya bergantung pada ii dan ruas kanan hanya pada jj, semua rasio itu sama dengan suatu t>0t>0; jadi (ũ,ṽ)=(tu,t1v)(\tilde u,\tilde v)=(tu,t^{-1}v). ◻

Kendala yang masih harus dipenuhi adalah P𝟏m=diag(u)Kdiag(v)𝟏m=diag(u)Kv=aP\mathbf{1}_m=\operatorname{diag}(u)K\operatorname{diag}(v)\mathbf{1}_m=\operatorname{diag}(u)Kv=a dan P𝟏n=diag(v)Ku=bP^\top\mathbf{1}_n=\operatorname{diag}(v)K^\top u=b. Ini memotivasi algoritme Sinkhorn–Knopp. Pilih v0++mv_0\in\mathbb{R}_{++}^m, misalnya v0=𝟏mv_0=\mathbf{1}_m, lalu untuk k=0,1,2,k=0,1,2,\dots perbarui {uk+1=a(Kvk),vk+1=b(Kuk+1),\begin{equation} \begin{cases} u_{k+1}=a\oslash(Kv_k),\\ v_{k+1}=b\oslash(K^\top u_{k+1}), \end{cases} \end{equation} dengan \oslash menyatakan pembagian komponen demi komponen. Berdasarkan positivitas aa, bb, dan KK, semua penyebut dan iterat tetap positif. Dengan hipotesis pada lema di atas, teorema Sinkhorn–Knopp menyatakan bahwa rencana diag(uk)Kdiag(vk)\operatorname{diag}(u_k)K\operatorname{diag}(v_k), k1k\geq1, konvergen ke rencana unik pada masalah [ot:eq:disc_entropic]. Vektor penskalaannya sendiri tetap mempunyai ambiguitas perkalian (u,v)(tu,t1v)(u,v)\mapsto(tu,t^{-1}v).

Suplemen Terbatas: Dualitas dan Reduksi Varians

Dualitas Lagrange, kondisi Slater, dan kondisi KKT

Bab ini melengkapi tulang punggung Habring dengan satu jalur terpadu dari Lagrangian ke kondisi Slater dan kondisi Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Notasi dibuat konsisten untuk masalah minimisasi. Bagian sumber yang khusus membahas dualitas program linear tidak disertakan karena materi itu berada dalam batas kurikulum O018.

Kredit catatan donor.

Catatan donor menyatakan bahwa bagian dualitas mengikuti Bab 5 Boyd dan Vandenberghe (B&V), merujuk ke §5.3 untuk ilustrasi, dan mengaitkan interpretasi perpotongan maksimum atau titik bersama minimum dengan Bertsekas. Kredit turunan ini dipertahankan; edisi ini tidak mengimpor isi di luar rentang donor yang dibekukan.

Masalah primal dan Lagrangian

Pertimbangkan masalah p*=infxDf0(x)dengan syaratfi(x)0,i=1,,m,hj(x)=0,j=1,,p,\begin{equation} \label{becker:eq:primal} \begin{aligned} p^* = \inf_{x\in D}\quad & f_0(x)\\ \text{dengan syarat}\quad & f_i(x)\leq 0, && i=1,\ldots,m,\\ & h_j(x)=0, && j=1,\ldots,p, \end{aligned} \end{equation} dengan DD memuat domain bersama fungsi-fungsi tersebut. Kita memakai p*=+p^*=+\infty jika masalah tidak layak dan p*=p^*=-\infty jika nilainya tidak terbatas ke bawah.

Lagrangian masalah [becker:eq:primal] adalah L(x,λ,ν)=f0(x)+i=1mλifi(x)+j=1pνjhj(x).\begin{equation} \label{becker:eq:lagrangian} L(x,\lambda,\nu) = f_0(x)+\sum_{i=1}^{m}\lambda_i f_i(x) +\sum_{j=1}^{p}\nu_j h_j(x). \end{equation} Vektor λm\lambda\in\mathbb{R}^m dan νp\nu\in\mathbb{R}^p disebut variabel dual atau pengali Lagrange. Untuk kendala pertidaksamaan kita akan mensyaratkan λ0\lambda\geq0 komponen demi komponen.

Lagrangian bergantung pada cara masalah ditulis. Misalnya, untuk infxf(x)+g(x)\inf_x f(x)+g(x) kita dapat memperkenalkan zz dan kendala x=zx=z, lalu membentuk Lagrangian terhadap kendala kesamaan itu. Pemisahan variabel seperti ini sering membuka struktur yang tidak tampak pada rumusan asal.

Fungsi dual Lagrange didefinisikan oleh g(λ,ν)=infxDL(x,λ,ν).\begin{equation} \label{becker:eq:dual-function} g(\lambda,\nu)=\inf_{x\in D} L(x,\lambda,\nu). \end{equation} Fungsi gg cekung terhadap (λ,ν)(\lambda,\nu), bahkan bila masalah primal tidak konveks, sebab gg adalah infimum titik demi titik dari fungsi-fungsi afin dalam variabel dual.

Sebagai kaidah umum yang terkait, minimisasi parsial dari fungsi konveks bersama menghasilkan fungsi konveks pada variabel yang tersisa, sedangkan supremum titik demi titik dari fungsi-fungsi konveks tetap konveks.

Masalah dual Lagrange adalah d*=supλ0,νpg(λ,ν).\begin{equation} \label{becker:eq:dual-problem} d^*=\sup_{\lambda\geq0,\,\nu\in\mathbb{R}^p} g(\lambda,\nu). \end{equation} Ini merupakan masalah maksimisasi cekung, atau secara ekuivalen masalah minimisasi konveks untuk g-g.

Untuk masalah [becker:eq:primal] selalu berlaku d*p*.\begin{equation} \label{becker:eq:weak-duality} d^*\leq p^*. \end{equation}

Proof. Ambil titik layak x̃\tilde x. Untuk setiap λ0\lambda\geq0 dan setiap ν\nu, g(λ,ν)L(x̃,λ,ν)=f0(x̃)+i=1mλifi(x̃)0+j=1pνjhj(x̃)=0f0(x̃).\begin{multline} g(\lambda,\nu)\leq L(\tilde x,\lambda,\nu) =f_0(\tilde x) +\underbrace{\sum_{i=1}^{m}\lambda_i f_i(\tilde x)}_{\leq0} +\underbrace{\sum_{j=1}^{p}\nu_j h_j(\tilde x)}_{=0}\\ \leq f_0(\tilde x). \end{multline} Mengambil infimum terhadap semua titik primal yang layak memberi g(λ,ν)p*g(\lambda,\nu)\leq p^*. Mengambil supremum terhadap semua titik dual yang layak membuktikan [becker:eq:weak-duality]. ◻

Jika d*=p*d^*=p^*, kita mengatakan bahwa dualitas kuat berlaku. Selain memberi sertifikat batas bawah, masalah dual dapat memindahkan operator linear, menyingkap kehalusan, atau menghasilkan rumusan numerik yang lebih sesuai. Untuk masalah nonkonveks sekalipun, nilai dual tetap menyediakan batas bawah yang sah, walaupun kesenjangan dualitas mungkin positif.

Kondisi Slater dan dualitas kuat

Sekarang andaikan f0,f1,,fmf_0,f_1,\ldots,f_m konveks dan kendala kesamaan berbentuk Ax=bAx=b. Tuliskan InaI_{\mathrm{na}} bagi indeks kendala pertidaksamaan yang tidak afin.

Kondisi Slater dipenuhi jika terdapat x\bar x dalam interior relatif domain bersama sedemikian sehingga Ax=b,fi(x)<0(iIna),fi(x)0(iIna).\begin{equation} A\bar x=b,\qquad f_i(\bar x)<0\quad(i\in I_{\mathrm{na}}),\qquad f_i(\bar x)\leq0\quad(i\notin I_{\mathrm{na}}). \end{equation} Jadi hanya kendala pertidaksamaan nonafin yang harus dipenuhi secara ketat.

Jika masalah primal konveks, kondisi Slater dipenuhi, dan p*p^* berhingga, maka d*=p*d^*=p^* dan suatu titik dual optimum (λ*,ν*)(\lambda^*,\nu^*) tercapai.

Kondisi Slater bersifat cukup, bukan perlu. Contoh semidefinit berikut menunjukkan salah satu gejala degenerasi. Pertimbangkan infX=X0(1000),Xdengan syarat(0110),X=2.\begin{equation} \inf_{X=X^\top\succeq0} \left\langle \begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix},X \right\rangle \quad\text{dengan syarat}\quad \left\langle \begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix},X \right\rangle=2. \end{equation} Setiap titik layak berbentuk X=a11b0X=\begin{smallmatrix}a&1\\1&b\end{smallmatrix}\succeq0, sehingga a,b0a,b\geq0 dan ab1ab\geq1. Barisan Xε=ε111/εX_\varepsilon=\begin{smallmatrix}\varepsilon&1\\1&1/\varepsilon\end{smallmatrix} memberi nilai objektif yang menuju nol ketika ε0\varepsilon\downarrow0. Jadi p*=0p^*=0, tetapi infimum primal tidak tercapai. Dualnya tetap mempunyai solusi optimum bernilai nol; contoh ini memperingatkan bahwa ketercapaian primal tidak mengikuti hanya dari kesamaan nilai primal dan dual.

Berikut gagasan geometri di balik teorema Slater. Definisikan himpunan nilai terganggu 𝒜={(u,v,t):xD,fi(x)ui,h(x)=v,f0(x)t}\begin{equation} \mathcal A=\left\{(u,v,t):\ \exists x\in D,\quad f_i(x)\leq u_i,\ h(x)=v,\ f_0(x)\leq t\right\} \end{equation} dan sinar terbuka ={(0,0,s):s<p*}.\begin{equation} \mathcal B=\{(0,0,s):s<p^*\}. \end{equation} Kekonveksan fungsi-fungsi kendala membuat 𝒜\mathcal A konveks, dan 𝒜=\mathcal A\cap\mathcal B=\varnothing. Teorema pemisahan memberi normal (λ*,ν*,μ*)(\lambda^*,\nu^*,\mu^*). Monotonisitas 𝒜\mathcal A terhadap uu dan tt memberi λ*0\lambda^*\geq0 dan μ*0\mu^*\geq0. Kondisi Slater menyingkirkan μ*=0\mu^*=0, yaitu hiperbidang penyangga vertikal, sehingga μ*>0\mu^*>0 dan normal dapat dinormalkan menjadi (λ*,ν*,1)(\lambda^*,\nu^*,1). Ketaksamaan pemisahan kemudian menghasilkan infxDL(x,λ*,ν*)p*.\begin{equation} \inf_{x\in D}L(x,\lambda^*,\nu^*)\geq p^*. \end{equation} Dualitas lemah memberi ketaksamaan sebaliknya; karena itu d*=p*d^*=p^* dan pengali dual optimum tercapai. Interpretasi yang sama dapat dinyatakan sebagai perpotongan maksimum atau titik bersama minimum dalam geometri perturbasi.

Interpretasi titik pelana

Untuk Lagrangian [becker:eq:lagrangian], masalah primal dan dual dapat ditulis sebagai p*=infxsupλ0,νL(x,λ,ν),d*=supλ0,νinfxL(x,λ,ν).\begin{equation} \begin{aligned} p^*&=\inf_x\sup_{\lambda\geq0,\nu}L(x,\lambda,\nu),\\ d^*&=\sup_{\lambda\geq0,\nu}\inf_xL(x,\lambda,\nu). \end{aligned} \end{equation} Ketaksamaan minimaks supλ0,νinfxL(x,λ,ν)infxsupλ0,νL(x,λ,ν)\begin{equation} \sup_{\lambda\geq0,\nu}\inf_xL(x,\lambda,\nu) \leq \inf_x\sup_{\lambda\geq0,\nu}L(x,\lambda,\nu) \end{equation} adalah bentuk titik-pelana dari dualitas lemah.

Tripel (x*,λ*,ν*)(x^*,\lambda^*,\nu^*) adalah titik pelana Lagrangian jika λ*0\lambda^*\geq0 dan L(x*,λ,ν)L(x*,λ*,ν*)L(x,λ*,ν*)\begin{equation} L(x^*,\lambda,\nu) \leq L(x^*,\lambda^*,\nu^*) \leq L(x,\lambda^*,\nu^*) \end{equation} untuk setiap xDx\in D, λ0\lambda\geq0, dan νp\nu\in\mathbb{R}^p.

Sebagai contoh, pertimbangkan minxx1dengan syaratAxb22ε2.\begin{equation} \min_x\left\lVert x\right\rVert_1 \quad\text{dengan syarat}\quad \left\lVert Ax-b\right\rVert_2^2\leq\varepsilon^2. \end{equation} Lagrangiannya adalah L(x,λ)=x1+λ(Axb22ε2),λ0.\begin{equation} L(x,\lambda)=\left\lVert x\right\rVert_1 +\lambda\bigl(\left\lVert Ax-b\right\rVert_2^2-\varepsilon^2\bigr),\qquad\lambda\geq0. \end{equation} Jika pengali optimum memenuhi λ*>0\lambda^*>0, minimisasi Lagrangian terhadap xx ekuivalen, setelah dibagi dengan 2λ*2\lambda^*, dengan minx12Axb22+12λ*x1.\begin{equation} \min_x \frac12\left\lVert Ax-b\right\rVert_2^2 +\frac{1}{2\lambda^*}\left\lVert x\right\rVert_1. \end{equation} Jadi rumusan berkendala dan rumusan berpenalti berhubungan melalui pengali optimum. Hubungan ini tidak boleh diperoleh dengan membagi oleh λ*\lambda^* jika pengalinya nol.

Kondisi Karush-Kuhn-Tucker

Andaikan fungsi-fungsi pada masalah [becker:eq:primal] dapat didiferensialkan. Tripel (x*,λ*,ν*)(x^*,\lambda^*,\nu^*) memenuhi kondisi KKT jika

  1. stasioneritas: xL(x*,λ*,ν*)=0\nabla_xL(x^*,\lambda^*,\nu^*)=0; pada kasus konveks tak mulus, bentuk yang sesuai adalah 0xL(x*,λ*,ν*)0\in\partial_xL(x^*,\lambda^*,\nu^*);

  2. kelayakan primal: fi(x*)0f_i(x^*)\leq0 dan hj(x*)=0h_j(x^*)=0;

  3. kelayakan dual: λ*0\lambda^*\geq0;

  4. kekomplementeran: λi*fi(x*)=0\lambda_i^*f_i(x^*)=0 untuk setiap i=1,,mi=1,\ldots,m.

Andaikan optimum primal dan dual tercapai, dualitas kuat berlaku, dan xL(x,λ*,ν*)x\mapsto L(x,\lambda^*,\nu^*) memiliki syarat optimalitas Fermat yang berlaku pada x*x^*. Maka pasangan optimum memenuhi kondisi KKT. Pernyataan ini tetap dapat dipakai pada masalah nonkonveks bila stasioneritas Lagrangian benar-benar mengikuti dari minimisasi globalnya dan seluruh syarat domain dipenuhi.

Jika f0,f1,,fmf_0,f_1,\ldots,f_m konveks, hjh_j afin, dan suatu tripel memenuhi kondisi KKT, maka x*x^* optimum primal, (λ*,ν*)(\lambda^*,\nu^*) optimum dual, dan p*=d*p^*=d^*.

Proof. Stasioneritas dan kekonveksan xL(x,λ*,ν*)x\mapsto L(x,\lambda^*,\nu^*) membuat x*x^* peminimum global Lagrangian. Karena itu d*g(λ*,ν*)=infxL(x,λ*,ν*)=L(x*,λ*,ν*)=f0(x*)+iλi*fi(x*)+jνj*hj(x*)=f0(x*)p*.\begin{equation} \begin{aligned} d^*&\geq g(\lambda^*,\nu^*) =\inf_xL(x,\lambda^*,\nu^*)\\ &=L(x^*,\lambda^*,\nu^*) =f_0(x^*) +\sum_i\lambda_i^*f_i(x^*) +\sum_j\nu_j^*h_j(x^*)\\ &=f_0(x^*)\geq p^*. \end{aligned} \end{equation} Dualitas lemah memberi d*p*d^*\leq p^*, sehingga semua ketaksamaan adalah kesamaan. ◻

Jika masalah primal konveks memenuhi kondisi Slater dan suatu solusi primal x*x^* ada dengan nilai berhingga, maka terdapat pengali (λ*,ν*)(\lambda^*,\nu^*) sedemikian sehingga tripel tersebut memenuhi kondisi KKT.

Contoh: proyeksi pada bola 1\ell^1

Proyeksi yny\in\mathbb{R}^n pada bola B1(τ)={x:x1τ}B_1(\tau)=\{x:\left\lVert x\right\rVert_1\leq\tau\}, dengan τ>0\tau>0, menyelesaikan minx12xy22dengan syaratx1τ.\begin{equation} \min_x \frac12\left\lVert x-y\right\rVert_2^2 \quad\text{dengan syarat}\quad \left\lVert x\right\rVert_1\leq\tau. \end{equation} Kondisi KKT memberi xi=Sλ(yi)=sign(yi)max{|yi|λ,0},λ0,\begin{equation} x_i=S_\lambda(y_i) =\operatorname{sign}(y_i)\max\{|y_i|-\lambda,0\}, \qquad \lambda\geq0, \end{equation} bersama x1τ\left\lVert x\right\rVert_1\leq\tau dan λ(x1τ)=0\lambda(\left\lVert x\right\rVert_1-\tau)=0. Jika y1τ\left\lVert y\right\rVert_1\leq\tau, maka λ=0\lambda=0 dan x=yx=y. Jika y1>τ\left\lVert y\right\rVert_1>\tau, maka λ>0\lambda>0 adalah akar unik dari i=1nmax{|yi|λ,0}=τ.\begin{equation} \sum_{i=1}^{n}\max\{|y_i|-\lambda,0\}=\tau. \end{equation} Ruas kiri kontinu, menurun, dan linear sepotong-sepotong dengan titik patah |yi||y_i|; akar dapat dicari dengan biseksi atau, lebih efisien, dengan mengurutkan titik patah. Identitas Moreau menjelaskan hubungan yang tepat: proxτ(y)=yprojB1(τ)(y).\begin{equation} \operatorname{prox}_{\tau\left\lVert \,\cdot\,\right\rVert_\infty}(y) =y-\operatorname{proj}_{B_1(\tau)}(y). \end{equation}

Kekomplementeran juga mengikuti dari kesamaan primal-dual. Untuk titik pelana optimum (x*,λ*,ν*)(x^*,\lambda^*,\nu^*) berlaku f0(x*)=L(x*,λ*,ν*)=f0(x*)+iλi*fi(x*),\begin{equation} f_0(x^*) =L(x^*,\lambda^*,\nu^*) =f_0(x^*)+\sum_i\lambda_i^*f_i(x^*), \end{equation} karena kendala kesamaan lenyap. Setiap suku λi*fi(x*)0\lambda_i^*f_i(x^*)\leq0, sehingga jumlah nol memaksa λi*fi(x*)=0\lambda_i^*f_i(x^*)=0 untuk setiap ii.

Contoh: masalah kuadratik dengan kendala kesamaan

Pertimbangkan minx12xPx+qx+rdengan syaratAx=b,P0.\begin{equation} \min_x \frac12 x^\top P x+q^\top x+r \quad\text{dengan syarat}\quad Ax=b, \qquad P\succeq0. \end{equation} Kondisi KKT adalah Px*+q+Aν*=0,Ax*=b,\begin{equation} Px^*+q+A^\top\nu^*=0, \qquad Ax^*=b, \end{equation} atau sistem titik pelana (PAA0)(x*ν*)=(qb).\begin{equation} \begin{pmatrix}P&A^\top\\A&0\end{pmatrix} \begin{pmatrix}x^*\\\nu^*\end{pmatrix} =\begin{pmatrix}-q\\b\end{pmatrix}. \end{equation} Setiap solusi sistem ini adalah solusi optimum masalah konveks tersebut. Solusi tunggal hanya dijamin jika matriks KKT nonsingular; satu syarat cukup yang umum adalah AA berperingkat baris penuh dan PP definit positif pada ker(A)\operatorname{ker}(A).

Reduksi Varians untuk SAA

Pertimbangkan masalah jumlah hingga dari aproksimasi rata-rata sampel (sample average approximation, SAA) minxnf(x),f(x)=1Ni=1Nfi(x),\begin{equation} \label{becker03:eq:finite-sum} \min_{x\in\mathbb{R}^n} f(x), \qquad f(x)=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}f_i(x), \end{equation} dengan ff bernilai hingga pada domain model. Sebagai contoh, untuk model dengan prediktor linear dan fungsi kerugian dapat dipakai fi(x)=(aixbi),\begin{equation} \label{becker03:eq:linearized-loss} f_i(x)=\ell(a_i^\top x-b_i), \end{equation} dengan \ell fungsi kerugian. Huruf \ell menggantikan huruf LL pada donor agar tidak bertabrakan dengan konstanta kemulusan Lipschitz yang dipakai di bawah.

Tabel gradien dan penaksir SAGA

Pilih iterat awal x0x_0 dan inisialisasikan satu titik tabel ϕi0=x0\phi_i^0=x_0 untuk setiap i=1,,Ni=1,\dots,N. Simpan, pada iterasi k0k\geq0, gik=fi(ϕik),gk=1Ni=1Ngik.\begin{equation} g_i^k=\nabla f_i(\phi_i^k), \qquad \bar g_k=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}g_i^k. \end{equation} Dengan xnx\in\mathbb{R}^n, tabel lengkap mempunyai NN kolom gradien di n\mathbb{R}^n. Ambil indeks acak JkUnif{1,,N}J_k\sim\operatorname{Unif}\{1,\dots,N\} dan bentuk vk=fJk(xk)gJkk+gk.\begin{equation} \label{becker03:eq:saga-estimator} v_k =\nabla f_{J_k}(x_k)-g_{J_k}^k+\bar g_k. \end{equation} Pembaruan SAGA tanpa suku proksimal adalah xk+1=xktkvk.\begin{equation} \label{becker03:eq:saga-update} x_{k+1}=x_k-t_kv_k. \end{equation} Sesudah vkv_k dihitung dari tabel lama, hanya kolom terpilih yang disegarkan: gik+1={fi(xk),i=Jk,gik,iJk,ϕik+1={xk,i=Jk,ϕik,iJk.\begin{equation} \label{becker03:eq:table-update} g_i^{k+1}= \begin{cases} \nabla f_i(x_k),&i=J_k,\\ g_i^k,&i\ne J_k, \end{cases} \qquad \phi_i^{k+1}= \begin{cases} x_k,&i=J_k,\\ \phi_i^k,&i\ne J_k. \end{cases} \end{equation} Ini menuliskan secara eksplisit inisialisasi dan urutan pembaruan yang hanya tersirat pada donor. Suku gJkk+gk-g_{J_k}^k+\bar g_k merupakan peubah kontrol (control variate). Donor juga menyebut SAG dan SVRG; keduanya adalah metode reduksi varians lain, tetapi algoritmanya tidak diimpor dari bagian di luar rentang beku.

Mengapa koreksi tabel mengurangi varians

Penghubung mandiri.

Ambil k\mathcal F_k sebagai informasi sebelum JkJ_k ditarik, sehingga xkx_k dan seluruh tabel tetap ketika ekspektasi bersyarat dihitung.

Penaksir [becker03:eq:saga-estimator] memenuhi 𝔼[vkk]=f(xk).\begin{equation} \mathbb{E}[v_k\mid\mathcal F_k]=\nabla f(x_k). \end{equation}

Proof. Keseragaman JkJ_k memberi 𝔼[vkk]=1Ni=1N(fi(xk)gik+gk)=f(xk)gk+gk=f(xk).\begin{multline*} \mathbb{E}[v_k\mid\mathcal F_k] =\frac1N\sum_{i=1}^{N} \bigl(\nabla f_i(x_k)-g_i^k+\bar g_k\bigr)\\ =\nabla f(x_k)-\bar g_k+\bar g_k =\nabla f(x_k). \end{multline*} ◻

Lebih tepat lagi, tuliskan aik=fi(xk)gika_i^k=\nabla f_i(x_k)-g_i^k dan ak=N1iaik\bar a_k=N^{-1}\sum_i a_i^k. Maka 𝔼[vkf(xk)22k]=1Ni=1Naikak221Ni=1Naik22.\begin{equation} \label{becker03:eq:variance-identity} \mathbb{E}\!\left[ \left\lVert v_k-\nabla f(x_k)\right\rVert_2^2\mid\mathcal F_k \right] =\frac1N\sum_{i=1}^{N}\left\lVert a_i^k-\bar a_k\right\rVert_2^2 \leq\frac1N\sum_{i=1}^{N}\left\lVert a_i^k\right\rVert_2^2. \end{equation} Identitas ini memperlihatkan mekanismenya: ketika gradien tersimpan mendekati gradien komponen pada iterat sekarang, ruas kanan menyusut meskipun langkah tkt_k tidak dipaksa menuju nol. Berbeda dari SAG, koreksi SAGA pada [becker03:eq:saga-estimator] membuat arah langkah takbias. SVRG mencapai gagasan serupa dengan gradien penuh pada titik acuan berkala, sehingga tidak menyimpan seluruh tabel gradien tetapi memakai evaluasi gradien tambahan.

Laju konvergensi dan iterat rata-rata

Pernyataan donor “untuk tt yang sesuai, metode ini konvergen secara linear” memerlukan hipotesis. Bentuk berikut adalah spesialisasi nonkomposit dari hasil SAGA oleh Defazio, Bach, dan Lacoste-Julien (2014).

Andaikan setiap fif_i konveks, terdiferensial, dan mempunyai gradien LL-Lipschitz. Andaikan pula ff pada [becker03:eq:finite-sum] μ\mu-konveks kuat dan mempunyai peminimum x*x^*. Jika seluruh titik tabel diinisialisasi pada x0x_0 dan tk=t=1/(3L)t_k=t=1/(3L), maka 𝔼xkx*22(1min{14N,μ3L})kC0,\begin{equation} \label{becker03:eq:linear-rate} \mathbb{E}\left\lVert x_k-x^*\right\rVert_2^2 \leq \left(1-\min\left\{\frac{1}{4N},\frac{\mu}{3L}\right\}\right)^k C_0, \end{equation} dengan C0=x0x*22+2N3L(f(x0)f(x*)).\begin{equation} C_0=\left\lVert x_0-x^*\right\rVert_2^2 +\frac{2N}{3L}\bigl(f(x_0)-f(x^*)\bigr). \end{equation}

Konstanta dan laju pada teorema tersebut mengikuti hasil adaptivitas terhadap kekonveksan kuat dalam Defazio, Bach, dan Lacoste-Julien, SAGA (2014). Teorema donor tanpa hipotesis tidak dipertahankan sebagai klaim universal: tanpa kemulusan dan struktur konveks yang sesuai, laju linear tidak mengikuti hanya dari bentuk pembaruan.

Jika ff hanya konveks, definisikan iterat rata-rata secara tidak ambigu sebagai xk=1kr=1kxr.\begin{equation} \label{becker03:eq:average-iterate} \bar x_k=\frac1k\sum_{r=1}^{k}x_r. \end{equation} Di bawah asumsi konveks dan LL-mulus di atas, dengan t=1/(3L)t=1/(3L), hasil yang sama memberi batas 𝔼[f(xk)]f(x*)4Nk[2LNx0x*22+f(x0)f(x*)].\begin{equation} \label{becker03:eq:average-rate} \mathbb{E}[f(\bar x_k)]-f(x^*) \leq\frac{4N}{k} \left[ \frac{2L}{N}\left\lVert x_0-x^*\right\rVert_2^2+f(x_0)-f(x^*) \right]. \end{equation} Jadi perataan bukan jaminan tanpa syarat untuk laju yang lebih baik; dalam rezim konveks yang dinyatakan, ia menyediakan jaminan sublinear 𝒪(1/k)\mathcal O(1/k) untuk nilai fungsi.

Latihan dengan petunjuk dan solusi

Latihan berikut merupakan materi baru untuk edisi ini; tidak ada latihan, petunjuk, atau solusi pada rentang donor.

Dengan aik=fi(xk)gika_i^k=\nabla f_i(x_k)-g_i^k, buktikan Proposisi [becker03:prop:conditional-unbiasedness] dan identitas [becker03:eq:variance-identity]. Jelaskan kapan varians bersyaratnya sama dengan nol.

Petunjuk. Gunakan vkf(xk)=aJkkakv_k-\nabla f(x_k)=a_{J_k}^k-\bar a_k dan kembangkan kuadratnya.

Solusi lengkap. Keseragaman indeks memberi 𝔼[aJkkk]=ak\mathbb{E}[a_{J_k}^k\mid\mathcal F_k]=\bar a_k, sehingga selisih tersebut bermean nol. Selanjutnya, 𝔼aJkkak22=1Ni(aik222aik,ak+ak22)=1Niaik22ak22,\begin{multline*} \mathbb{E}\left\lVert a_{J_k}^k-\bar a_k\right\rVert_2^2 =\frac1N\sum_i \left(\left\lVert a_i^k\right\rVert_2^2-2\left\langle a_i^k,\bar a_k\right\rangle +\left\lVert \bar a_k\right\rVert_2^2\right)\\ =\frac1N\sum_i\left\lVert a_i^k\right\rVert_2^2-\left\lVert \bar a_k\right\rVert_2^2, \end{multline*} yang sama dengan ruas tengah [becker03:eq:variance-identity] dan tidak melebihi ruas kanannya. Variansnya nol tepat ketika semua aika_i^k sama; khususnya, nol jika gik=fi(xk)g_i^k=\nabla f_i(x_k) untuk semua ii.

Ambil N=2N=2, f1(x)=12(x1)2f_1(x)=\tfrac12(x-1)^2, f2(x)=12(x+1)2f_2(x)=\tfrac12(x+1)^2, xk=2x_k=2, ϕ1k=0\phi_1^k=0, dan ϕ2k=1\phi_2^k=1. Hitung dua nilai mungkin bagi vkv_k, ekspektasi dan variansnya, lalu bandingkan dengan gradien stokastik biasa fJk(xk)\nabla f_{J_k}(x_k). Untuk tk=0,1t_k=0{,}1, hitung pula dua iterat berikutnya.

Petunjuk. g1k=1g_1^k=-1, g2k=2g_2^k=2, dan gk=1/2\bar g_k=1/2.

Solusi lengkap. Pada xk=2x_k=2, gradien komponen adalah 11 dan 33. Oleh karena itu vk=1(1)+1/2=5/2v_k=1-(-1)+1/2=5/2 jika Jk=1J_k=1, sedangkan vk=32+1/2=3/2v_k=3-2+1/2=3/2 jika Jk=2J_k=2. Maka 𝔼[vk]=2=f(2)\mathbb{E}[v_k]=2=\nabla f(2) dan Var(vk)=12[(1/2)2+(1/2)2]=1/4\operatorname{Var}(v_k)=\tfrac12[(1/2)^2+(-1/2)^2]=1/4. Penaksir SGD biasa bernilai 11 atau 33, sehingga mean-nya juga 22 tetapi variansnya 11. Dengan tk=0,1t_k=0{,}1, SAGA menghasilkan xk+1=1,75x_{k+1}=1{,}75 atau xk+1=1,85x_{k+1}=1{,}85.

Metode Stokastik Komposit

Metode Stokastik Komposit, Cermin, dan Minibatch

Bab ini mengisi penghubung yang belum tersedia di tulang punggung Habring dan tiga modul Becker yang telah diterima. Habring telah mengembangkan operator proksimal, gradien proksimal deterministik, dan subgradien stokastik terproyeksi. Modul Becker 3 telah membuktikan ketakbiasan penaksir SAGA dan identitas varians tabelnya. Yang masih diperlukan ialah satu kerangka yang menjelaskan bagaimana operator proksimal, geometri non-Euklides, pengambilan sampel minibatch, dan reduksi varians saling terhubung.

Seluruh rumusan, bukti penghubung, latihan, petunjuk, solusi, dan laboratorium dalam bab ini ditulis secara mandiri. Catatan Habring, catatan gradien stokastik Clément W. Royer, modul Becker 3, serta rujukan penelitian pada akhir bab dipakai untuk memeriksa istilah, batas teori, dan konteks; tidak ada prosa, tata letak, gambar, atau kode mereka yang disalin.

Kita memakai norma \left\lVert \cdot\right\rVert pada ruang berdimensi hingga dan norma dual y*=supx1y,x.\begin{equation} \left\lVert y\right\rVert_*=\sup_{\left\lVert x\right\rVert\leq1}\left\langle y,x\right\rangle. \end{equation} Untuk bagian proksimal dan minibatch, norma tersebut adalah norma Euklides. Filtrasi k\mathcal F_k memuat seluruh informasi sebelum oracle pada iterasi kk dipanggil. Dengan demikian, xkx_k terukur terhadap k\mathcal F_k.

Masalah komposit dan oracle stokastik

Pertimbangkan masalah komposit minxdF(x),F(x)=f(x)+g(x),\begin{equation} \label{orig01:eq:composite-problem} \min_{x\in\mathbb{R}^d} F(x), \qquad F(x)=f(x)+g(x), \end{equation} dengan f:df:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R} konveks, terdiferensialkan, dan mempunyai gradien LL-Lipschitz, sedangkan g:d(,+]g:\mathbb{R}^d\to(-\infty,+\infty] proper, konveks, dan semikontinu bawah. Andaikan himpunan peminim X*=argminFX^*=\arg\min F tidak kosong.

Oracle pada xkx_k mengembalikan GkG_k dan memenuhi, hampir pasti, 𝔼[Gkk]=f(xk),𝔼[Gkf(xk)2k]νk2.\begin{equation} \label{orig01:eq:oracle} \mathbb{E}[G_k\mid\mathcal F_k]=\nabla f(x_k), \qquad \mathbb{E}\!\left[\left\lVert G_k-\nabla f(x_k)\right\rVert^2\mid\mathcal F_k\right] \leq \nu_k^2. \end{equation} Besaran νk2\nu_k^2 boleh berubah sepanjang iterasi. Notasi ini sengaja memisahkan varians oracle dari konstanta kemulusan LL dan dari fungsi kerugian \ell pada model statistik.

Gradien proksimal stokastik

Dengan ukuran langkah τk>0\tau_k>0, pembaruan gradien proksimal stokastik ialah xk+1=proxτkg(xkτkGk).\begin{equation} \label{orig01:eq:spg-update} x_{k+1} =\operatorname{prox}_{\tau_k g}\bigl(x_k-\tau_kG_k\bigr). \end{equation} Jika g=δCg=\delta_C adalah fungsi indikator himpunan konveks tertutup CC, pembaruan ini menjadi proyeksi stokastik. Jika g(x)=λx1g(x)=\lambda\left\lVert x\right\rVert_1, pembaruan ini menjadi ambang lunak setelah langkah gradien stokastik.

Algoritma 1: gradien proksimal stokastik. Pilih x0domgx_0\in\operatorname{dom}g. Untuk k=0,1,k=0,1,\dots, panggil oracle pada xkx_k untuk memperoleh GkG_k, pilih τk\tau_k, lalu hitung [orig01:eq:spg-update]. Untuk pelaporan ergodik, simpan rerata iterat yang disebutkan dalam teorema berikut.

Ambil xdomgx\in\operatorname{dom}g dan tetapkan τk=τ\tau_k=\tau dengan 0<τ(2L)10<\tau\leq(2L)^{-1}. Di bawah [orig01:eq:oracle], iterasi [orig01:eq:spg-update] memenuhi 𝔼[F(xk+1)F(x)k]xkx2𝔼[xk+1x2k]2τ+τνk2.\begin{multline} \label{orig01:eq:spg-one-step} \mathbb{E}[F(x_{k+1})-F(x)\mid\mathcal F_k]\ \leq \frac{\left\lVert x_k-x\right\rVert^2- \mathbb{E}[\left\lVert x_{k+1}-x\right\rVert^2\mid\mathcal F_k]}{2\tau} +\tau\nu_k^2. \end{multline}

Proof. Tuliskan x+=xk+1x^+=x_{k+1}, s=x+xks=x^+-x_k, dan δk=Gkf(xk)\delta_k=G_k-\nabla f(x_k). Kondisi optimalitas proks memberikan xkx+τGkg(x+).\begin{equation} \frac{x_k-x^+}{\tau}-G_k\in\partial g(x^+). \end{equation} Ketaksamaan subgradien untuk gg, kekonveksan ff, dan lemma penurunan untuk ff yang LL-mulus menghasilkan F(x+)F(x)xkx2x+x22τ1Lτ2τs2δk,x+x.\begin{multline} F(x^+)-F(x) \leq \frac{\left\lVert x_k-x\right\rVert^2-\left\lVert x^+-x\right\rVert^2}{2\tau} -\frac{1-L\tau}{2\tau}\left\lVert s\right\rVert^2 -\left\langle \delta_k,x^+-x\right\rangle. \label{orig01:eq:spg-pathwise} \end{multline} Pecah suku terakhir sebagai δk,sδk,xkx-\left\langle \delta_k,s\right\rangle-\left\langle \delta_k,x_k-x\right\rangle. Karena xkxx_k-x terukur terhadap k\mathcal F_k dan 𝔼[δkk]=0\mathbb{E}[\delta_k\mid\mathcal F_k]=0, suku kedua hilang dalam ekspektasi bersyarat. Untuk suku pertama, maksimisasi kuadrat atau ketaksamaan Young memberi δk,s1Lτ2τs2τ2(1Lτ)δk2τδk2,\begin{equation} -\left\langle \delta_k,s\right\rangle -\frac{1-L\tau}{2\tau}\left\lVert s\right\rVert^2 \leq\frac{\tau}{2(1-L\tau)}\left\lVert \delta_k\right\rVert^2 \leq\tau\left\lVert \delta_k\right\rVert^2, \end{equation} dengan ketaksamaan terakhir menggunakan τL1/2\tau L\leq1/2. Mengambil ekspektasi bersyarat membuktikan klaim. ◻

Andaikan νk2σ2/b\nu_k^2\leq\sigma^2/b untuk semua kk, dengan b1b\geq1. Ambil x*X*x^*\in X^*, 0<τ(2L)10<\tau\leq(2L)^{-1}, dan definisikan xK=1Kk=0K1xk+1.\begin{equation} \bar x_K=\frac1K\sum_{k=0}^{K-1}x_{k+1}. \end{equation} Maka, untuk K1K\geq1, 𝔼[F(xK)F(x*)]x0x*22τK+τσ2b.\begin{equation} \label{orig01:eq:spg-ergodic-rate} \mathbb{E}[F(\bar x_K)-F(x^*)] \leq \frac{\left\lVert x_0-x^*\right\rVert^2}{2\tau K} +\frac{\tau\sigma^2}{b}. \end{equation}

Proof. Terapkan Lema [orig01:lemma:spg-one-step] dengan x=x*x=x^*, ambil ekspektasi penuh, lalu jumlahkan untuk k=0,,K1k=0,\dots,K-1. Suku jarak meneleskop dan suku terakhir yang tidak negatif dapat dibuang. Kekonveksan FF memberi F(xK)K1k=0K1F(xk+1)F(\bar x_K)\leq K^{-1}\sum_{k=0}^{K-1}F(x_{k+1}), yang menyelesaikan bukti. ◻

Jika R=x0x*>0R=\left\lVert x_0-x^*\right\rVert>0, σ>0\sigma>0, dan batas kemulusan tidak aktif, pilihan yang menyeimbangkan kedua suku pada [orig01:eq:spg-ergodic-rate] ialah τ=Rb2σ2K,𝔼[F(xK)F(x*)]2RσbK.\begin{equation} \tau=R\sqrt{\frac{b}{2\sigma^2K}}, \qquad \mathbb{E}[F(\bar x_K)-F(x^*)] \leq\frac{\sqrt2R\sigma}{\sqrt{bK}}. \end{equation} Dalam praktik, RR dan σ\sigma biasanya tidak diketahui. Rumus ini adalah penjelas skala, bukan resep penalaan tanpa diagnosis.

Minibatch: identitas varians dan biaya oracle

Ambil bb sampel bersyarat iid Gk,1,,Gk,bG_{k,1},\dots,G_{k,b} dengan rerata f(xk)\nabla f(x_k) dan varians kuadrat paling besar σ2\sigma^2. Penaksir minibatch dengan penggantian adalah Ĝk(b)=1bj=1bGk,j.\begin{equation} \label{orig01:eq:minibatch} \widehat G_k^{(b)}=\frac1b\sum_{j=1}^{b}G_{k,j}. \end{equation}

Penaksir [orig01:eq:minibatch] tak bias dan memenuhi 𝔼[Ĝk(b)f(xk)2k]σ2b.\begin{equation} \mathbb{E}\!\left[ \left\lVert \widehat G_k^{(b)}-\nabla f(x_k)\right\rVert^2 \mid\mathcal F_k \right]\leq\frac{\sigma^2}{b}. \end{equation}

Proof. Setelah dikondisikan pada k\mathcal F_k, simpangan setiap sampel mempunyai rerata nol dan pasangan simpangan yang berbeda saling bebas. Semua suku silang dalam kuadrat norma mempunyai ekspektasi nol. Tersisa bb suku diagonal yang masing-masing dikalikan b2b^{-2}. ◻

Untuk jumlah hingga f=N1i=1Nfif=N^{-1}\sum_{i=1}^{N}f_i, pengambilan sampel tanpa penggantian mempunyai koreksi populasi hingga yang tidak boleh disamakan dengan rumus iid.

Andaikan N2N\geq2 dan 1bN1\leq b\leq N. Pada suatu xx, tuliskan hi=fi(x)f(x)h_i=\nabla f_i(x)-\nabla f(x) dan VN=N1i=1Nhi2V_N=N^{-1}\sum_{i=1}^{N}\left\lVert h_i\right\rVert^2. Jika SS dipilih seragam dari semua subhimpunan berukuran bb tanpa penggantian, maka 𝔼1biSfi(x)f(x)2=Nbb(N1)VN.\begin{equation} \label{orig01:eq:finite-population} \mathbb{E}\left\lVert \frac 1b\sum_{i\in S}\nabla f_i(x)-\nabla f(x)\right\rVert^2 =\frac{N-b}{b(N-1)}V_N. \end{equation}

Proof. Peluang inklusi satu indeks adalah b/Nb/N dan peluang inklusi dua indeks berbeda adalah b(b1)/(N(N1))b(b-1)/(N(N-1)). Kembangkan kuadrat norma. Karena ihi=0\sum_i h_i=0, berlaku ijhi,hj=ihi2\sum_{i\ne j}\left\langle h_i,h_j\right\rangle=-\sum_i\left\lVert h_i\right\rVert^2. Substitusi kedua peluang inklusi lalu penyederhanaan memberikan faktor pada [orig01:eq:finite-population]. Khusus b=Nb=N, varians tepat nol. ◻

Minibatch menurunkan varians per iterasi, tetapi memakai bb evaluasi gradien komponen. Jika biaya serial yang tersedia adalah T=bKT=bK, batas tertala ideal 2Rσ/bK\sqrt2R\sigma/\sqrt{bK} menjadi 2Rσ/T\sqrt2R\sigma/\sqrt T: tidak ada percepatan kompleksitas oracle hanya dari pengelompokan. Keuntungan nyata dapat datang dari paralelisme, arsitektur perangkat, pengurangan komunikasi, atau batas langkah yang lebih baik. Pernyataan ini juga menjelaskan mengapa perbandingan hanya berdasarkan banyak iterasi dapat menyesatkan.

Penurunan cermin stokastik

Proyeksi Euklides memperlakukan semua arah dengan geometri yang sama. Pada simpleks, matriks semidefinit positif, atau ruang dengan struktur sparsitas, pilihan geometri lain dapat lebih alami.

Misalkan XdX\subset\mathbb{R}^d tak kosong, tertutup, dan konveks. Ambil fungsi pembangkit h:Xh:X\to\mathbb{R} yang bernilai hingga dan kontinu pada XX, terdiferensialkan di setiap iterat, dan α\alpha-konveks kuat terhadap \left\lVert \cdot\right\rVert. Untuk setiap xXx\in X dan setiap titik keterdiferensialan yy, h(x)h(y)+h(y),xy+α2xy2.\begin{equation} h(x)\geq h(y)+\left\langle \nabla h(y),x-y\right\rangle +\frac\alpha2\left\lVert x-y\right\rVert^2. \end{equation} Divergensi Bregman yang dibangkitkan oleh hh ialah Dh(x,y)=h(x)h(y)h(y),xy.\begin{equation} \label{orig01:eq:bregman} D_h(x,y)=h(x)-h(y)-\left\langle \nabla h(y),x-y\right\rangle. \end{equation} Divergensi ini tidak harus simetris dan bukan metrik, tetapi Dh(x,y)(α/2)xy2D_h(x,y)\geq(\alpha/2)\left\lVert x-y\right\rVert^2.

Untuk fungsi konveks Φ:X\Phi:X\to\mathbb{R}, andaikan oracle menghasilkan GkG_k dengan Gk𝔼[Gkk]Φ(xk),𝔼[Gk*2k]M2.\begin{equation} \label{orig01:eq:mirror-oracle} \bar G_k\coloneqq\mathbb{E}[G_k\mid\mathcal F_k]\in\partial\Phi(x_k), \qquad \mathbb{E}[\left\lVert G_k\right\rVert_*^2\mid\mathcal F_k]\leq M^2. \end{equation} Ambil τk>0\tau_k>0 dan andaikan masalah berikut hampir pasti mencapai peminim unik xk+1x_{k+1} pada titik keterdiferensialan hh: xk+1=argminxX{τkGk,x+Dh(x,xk)}.\begin{equation} \label{orig01:eq:mirror-update} x_{k+1}=\arg\min_{x\in X} \left\{\tau_k\left\langle G_k,x\right\rangle+D_h(x,x_k)\right\}. \end{equation} Untuk pembanding optimum x*x^* yang dipakai di bawah, andaikan pula Dh(x*,x0)<D_h(x^*,x_0)<\infty. Asumsi eksplisit ini dapat diganti dengan syarat Legendre/interior standar yang menjamin sifat-sifat yang sama.

Algoritma 2: penurunan cermin stokastik. Pilih x0x_0 dalam daerah terdiferensialkan hh. Pada iterasi kk, ambil subgradien stokastik GkG_k, selesaikan masalah Bregman [orig01:eq:mirror-update], dan perbarui rerata berbobot jτjxj/jτj\sum_j\tau_jx_j/\sum_j\tau_j.

Untuk setiap xXx\in X, pembaruan [orig01:eq:mirror-update] memenuhi τkGk,xkxDh(x,xk)Dh(x,xk+1)+τk22αGk*2.\begin{equation} \label{orig01:eq:mirror-one-step} \tau_k\left\langle G_k,x_k-x\right\rangle \leq D_h(x,x_k)-D_h(x,x_{k+1}) +\frac{\tau_k^2}{2\alpha}\left\lVert G_k\right\rVert_*^2. \end{equation}

Proof. Kondisi optimalitas pada himpunan XX memberi τkGk+h(xk+1)h(xk),xxk+10.\begin{equation} \left\langle \tau_kG_k+\nabla h(x_{k+1})-\nabla h(x_k),x-x_{k+1}\right\rangle\geq0. \end{equation} Identitas tiga titik Bregman mengubah bagian yang memuat hh menjadi τkGk,xk+1xDh(x,xk)Dh(x,xk+1)Dh(xk+1,xk).\begin{equation} \tau_k\left\langle G_k,x_{k+1}-x\right\rangle \leq D_h(x,x_k)-D_h(x,x_{k+1})-D_h(x_{k+1},x_k). \end{equation} Tambahkan τkGk,xkxk+1\tau_k\left\langle G_k,x_k-x_{k+1}\right\rangle pada kedua sisi. Gunakan Dh(xk+1,xk)(α/2)xk+1xk2D_h(x_{k+1},x_k)\geq(\alpha/2)\left\lVert x_{k+1}-x_k\right\rVert^2, dualitas norma, dan ketaksamaan Young. Hasilnya tepat [orig01:eq:mirror-one-step]. ◻

Di bawah [orig01:eq:mirror-oracle], untuk K1K\geq1 definisikan SK=k=0K1τkS_K=\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k dan x̃K=1SKk=0K1τkxk.\begin{equation} \widetilde x_K=\frac1{S_K}\sum_{k=0}^{K-1}\tau_kx_k. \end{equation} Untuk setiap x*argminxXΦ(x)x^*\in\arg\min_{x\in X}\Phi(x), 𝔼[Φ(x̃K)Φ(x*)]Dh(x*,x0)SK+M22αk=0K1τk2SK.\begin{equation} \label{orig01:eq:mirror-rate} \mathbb{E}[\Phi(\widetilde x_K)-\Phi(x^*)] \leq \frac{D_h(x^*,x_0)}{S_K} +\frac{M^2}{2\alpha} \frac{\sum_{k=0}^{K-1}\tau_k^2}{S_K}. \end{equation}

Proof. Ambil ekspektasi bersyarat pada Lema [orig01:lemma:mirror-one-step]. Karena xkx*x_k-x^* terukur terhadap k\mathcal F_k dan GkΦ(xk)\bar G_k\in\partial\Phi(x_k), 𝔼[Gk,xkx*k]Φ(xk)Φ(x*).\begin{equation} \mathbb{E}[\left\langle G_k,x_k-x^*\right\rangle\mid\mathcal F_k] \geq\Phi(x_k)-\Phi(x^*). \end{equation} Jumlahkan sehingga divergensi Bregman meneleskop, lalu gunakan kekonveksan Φ\Phi pada rerata berbobot. ◻

Untuk M>0M>0 dan Dh(x*,x0)>0D_h(x^*,x_0)>0, gunakan τ=2αDh(x*,x0)/(M2K)\tau=\sqrt{2\alpha D_h(x^*,x_0)/(M^2K)}. Ruas kanan kemudian menjadi M2Dh(x*,x0)αK.\begin{equation} M\sqrt{\frac{2D_h(x^*,x_0)}{\alpha K}}. \end{equation} Pada geometri Euklides, h(x)=x22/2h(x)=\left\lVert x\right\rVert_2^2/2 dan pembaruan cermin menjadi subgradien stokastik terproyeksi. Jadi metode cermin memperluas, bukan menduplikasi, teorema stokastik Habring.

Simpleks dan pembaruan eksponensial

Pada simpleks Δd={x+d:j=1dxj=1}\Delta_d=\{x\in\mathbb{R}_+^d:\sum_{j=1}^{d}x_j=1\}, ambil h(x)=jxjlogxjh(x)=\sum_jx_j\log x_j, dengan konvensi perluasan kontinu 0log0=00\log0=0. Fungsi ini kontinu pada Δd\Delta_d dan terdiferensialkan pada interior relatifnya. Mulai dari x0,j>0x_{0,j}>0. Divergensi Bregman ialah divergensi Kullback–Leibler. Terhadap norma 1\ell_1, fungsi ini 11-konveks kuat. Kondisi optimalitas memberi pembaruan tertutup xk+1,j=xk,jexp(τkGk,j)r=1dxk,rexp(τkGk,r).\begin{equation} \label{orig01:eq:exponentiated-update} x_{k+1,j} =\frac{x_{k,j}\exp(-\tau_kG_{k,j})} {\sum_{r=1}^{d}x_{k,r}\exp(-\tau_kG_{k,r})}. \end{equation} Jika x0x_0 seragam, maka Dh(x*,x0)logdD_h(x^*,x_0)\leq\log d. Dengan batas GkM\left\lVert G_k\right\rVert_\infty\leq M, Teorema [orig01:theorem:mirror-ergodic] memberi skala M2log(d)/KM\sqrt{2\log(d)/K} setelah penalaan ideal. Ketergantungan logaritmik pada dimensi menjelaskan kegunaan geometri entropi di simpleks.

Dari SAGA ke pembaruan proksimal

Untuk masalah jumlah hingga f=N1ifif=N^{-1}\sum_i f_i, modul Becker 3 mendefinisikan penaksir SAGA vk=fJk(xk)gJkk+gk\begin{equation} v_k=\nabla f_{J_k}(x_k)-g_{J_k}^k+\bar g_k \end{equation} dan membuktikan 𝔼[vkk]=f(xk)\mathbb{E}[v_k\mid\mathcal F_k]=\nabla f(x_k). Untuk masalah komposit, perubahan algoritmik yang benar bukan mengurangkan subgradien gg, melainkan memakai langkah proksimal xk+1=proxτg(xkτvk).\begin{equation} \label{orig01:eq:prox-saga} x_{k+1}=\operatorname{prox}_{\tau g}(x_k-\tau v_k). \end{equation}

Andaikan asumsi masalah komposit berlaku, 0<τ(2L)10<\tau\leq(2L)^{-1}, dan definisikan ωk2=𝔼[vkf(xk)2k].\begin{equation} \omega_k^2 =\mathbb{E}[\left\lVert v_k-\nabla f(x_k)\right\rVert^2\mid\mathcal F_k]. \end{equation} Untuk xK=K1k=0K1xk+1\bar x_K=K^{-1}\sum_{k=0}^{K-1}x_{k+1} dan x*X*x^*\in X^*, 𝔼[F(xK)F(x*)]x0x*22τK+τKk=0K1𝔼[ωk2].\begin{equation} \label{orig01:eq:prox-saga-bridge} \mathbb{E}[F(\bar x_K)-F(x^*)] \leq\frac{\left\lVert x_0-x^*\right\rVert^2}{2\tau K} +\frac{\tau}{K}\sum_{k=0}^{K-1}\mathbb{E}[\omega_k^2]. \end{equation} Jika 𝔼[ωk2]Cρk\mathbb{E}[\omega_k^2]\leq C\rho^k dengan C0C\geq0 dan 0<ρ<10<\rho<1, maka 𝔼[F(xK)F(x*)]x0x*22τK+τCK(1ρ).\begin{equation} \mathbb{E}[F(\bar x_K)-F(x^*)] \leq\frac{\left\lVert x_0-x^*\right\rVert^2}{2\tau K} +\frac{\tau C}{K(1-\rho)}. \end{equation}

Proof. Terapkan bukti Teorema [orig01:theorem:spg-ergodic] dengan Gk=vkG_k=v_k dan varians bersyarat ωk2\omega_k^2. Untuk klaim terakhir, gunakan jumlah deret geometri hingga yang dibatasi oleh (1ρ)1(1-\rho)^{-1}. ◻

Korolari ini menjelaskan hubungan yang hilang, tetapi sengaja tidak mengklaim bahwa varians SAGA selalu turun geometrik. Pembuktian klaim semacam itu memerlukan fungsi Lyapunov gabungan untuk galat iterat dan galat tabel. Teorema laju linear bersyarat pada modul Becker 3 menyediakan hasil khusus untuk kasus mulus dan konveks kuat; korolari di sini menunjukkan bagaimana penaksir yang sama masuk ke masalah komposit.

Laboratorium 1: regresi renggang dengan biaya oracle tetap

Laboratorium terbuka pada labs/original-01/stochastic-composite-lab.py membangun masalah regresi kuadrat dengan regularisasi 1\ell_1, F(x)=12NAxy22+λx1.\begin{equation} \label{orig01:eq:lab-objective} F(x)=\frac{1}{2N}\left\lVert Ax-y\right\rVert_2^2+\lambda\left\lVert x\right\rVert_1. \end{equation} Skrip membandingkan gradien proksimal stokastik, minibatch dengan penggantian, dan Prox-SAGA pada anggaran evaluasi gradien komponen yang sama. Referensi numerik dihitung oleh FISTA deterministik sampai norma pemetaan gradien proksimal memenuhi toleransi yang dilaporkan.

Tugas laboratorium:

  1. jalankan skrip tanpa mengubah benih acak dan verifikasikan konfigurasi beku yang dicatat pada berkas hasil;

  2. bandingkan kesenjangan objektif terhadap evaluasi gradien komponen, bukan hanya terhadap iterasi;

  3. periksa apakah minibatch menurunkan varians arah pada checkpoint yang sama;

  4. ubah ukuran minibatch tetapi pertahankan anggaran oracle, lalu jelaskan perbedaan antara keuntungan statistik dan keuntungan paralel;

  5. ganti λ\lambda dan ukur perubahan sparsitas serta norma pemetaan gradien proksimal;

  6. laporkan setiap hasil yang bertentangan dengan batas teori beserta asumsi yang mungkin tidak terpenuhi.

CSV dan JSON yang dihasilkan adalah permukaan aksesibel utama. Grafik SVG hanya merupakan bantuan visual dan tidak menjadi satu-satunya pembawa informasi.

Dengan konfigurasi beku (N=320N=320, d=40d=40, λ=0,03\lambda=0{,}03, 12 epoch, dan 3.840 evaluasi gradien komponen per metode), nilai referensi FISTA adalah 0,315173967787422460{,}31517396778742246 dengan norma pemetaan gradien proksimal 1,49×10151{,}49\times10^{-15}. Hasil terminal deterministik adalah:

Metode Kesenjangan objektif Norma pemetaan Tak nol
Proks-SGD, b=1b=1 4,9169×1024{,}9169\times10^{-2} 2,1155×1022{,}1155\times10^{-2} 33
Proks-minibatch, b=16b=16 2,5707×1032{,}5707\times10^{-3} 9,8630×1039{,}8630\times10^{-3} 10
Prox-SAGA 2,0444×1092{,}0444\times10^{-9} 9,8666×1069{,}8666\times10^{-6} 5

Angka tersebut adalah satu eksperimen terkontrol, bukan urutan kinerja universal. Berkas hasil JSON, CSV, dan SVG mempunyai SHA-256 berikut:

86ff701a…c447
61a6591a…5d37
87c772d9…2830.

Identitas lengkap dicatat dalam receipt QA.

Latihan, petunjuk, dan solusi lengkap

Untuk f(x)=(2N)1Axy22f(x)=(2N)^{-1}\left\lVert Ax-y\right\rVert_2^2 dan g(x)=λx1g(x)=\lambda\left\lVert x\right\rVert_1, tuliskan pembaruan [orig01:eq:spg-update] ketika minibatch SkS_k dipakai. Tunjukkan bahwa setiap koordinat diperoleh dengan ambang lunak.

Petunjuk bertahap. (i) Hitung gradien setiap suku kuadrat. (ii) Gunakan keterpisahan norma 1\ell_1. (iii) Selesaikan masalah proksimal skalar pada tiga kasus tanda.

Solusi lengkap. Jika fi(x)=12(aixyi)2f_i(x)=\tfrac12(a_i^\top x-y_i)^2, maka Gk=1|Sk|iSkai(aixkyi).\begin{equation} G_k=\frac1{|S_k|}\sum_{i\in S_k}a_i(a_i^\top x_k-y_i). \end{equation} Tuliskan zk=xkτkGkz_k=x_k-\tau_kG_k. Karena proxτkλ1\operatorname{prox}_{\tau_k\lambda\left\lVert \cdot\right\rVert_1} terpisah per koordinat, (xk+1)j=sign((zk)j)max{|(zk)j|τkλ,0}.\begin{equation} (x_{k+1})_j =\operatorname{sign}((z_k)_j) \max\{|(z_k)_j|-\tau_k\lambda,0\}. \end{equation} Rumus ini mengikuti dengan memeriksa kondisi 0uz+τkλ|u|0\in u-z+\tau_k\lambda\partial|u| pada u>0u>0, u<0u<0, dan u=0u=0.

Mulai dari [orig01:eq:spg-pathwise]. Buktikan batas yang lebih tajam 𝔼[F(xk+1)F(x)k]xkx2𝔼xk+1x22τ+τνk22(1Lτ)\begin{equation} \mathbb{E}[F(x_{k+1})-F(x)\mid\mathcal F_k] \leq\frac{\left\lVert x_k-x\right\rVert^2- \mathbb{E}\left\lVert x_{k+1}-x\right\rVert^2}{2\tau} +\frac{\tau\nu_k^2}{2(1-L\tau)} \end{equation} untuk 0<τ<L10<\tau<L^{-1}.

Petunjuk bertahap. (i) Maksimalkan δ,scs2-\left\langle \delta,s\right\rangle-c\left\lVert s\right\rVert^2 terhadap ss. (ii) Ambil c=(1Lτ)/(2τ)c=(1-L\tau)/(2\tau). (iii) Gunakan ketakbiasan hanya setelah memisahkan xkxx_k-x.

Solusi lengkap. Dualitas norma Euklides dan pelengkapan kuadrat memberikan sups{δ,scs2}=δ24c=τδ22(1Lτ).\begin{equation} \sup_s\{-\left\langle \delta,s\right\rangle-c\left\lVert s\right\rVert^2\} =\frac{\left\lVert \delta\right\rVert^2}{4c} =\frac{\tau\left\lVert \delta\right\rVert^2}{2(1-L\tau)}. \end{equation} Suku δk,xkx-\left\langle \delta_k,x_k-x\right\rangle mempunyai ekspektasi bersyarat nol. Substitusi batas varians menyelesaikan klaim. Lema utama memakai τL1/2\tau L\leq1/2 hanya untuk mengganti faktor ini dengan batas sederhana τνk2\tau\nu_k^2.

Untuk N2N\geq2, buktikan Proposisi [orig01:prop:finite-population] dengan peubah indikator Ii=𝟏{iS}I_i=\mathbf{1}\{i\in S\}. Periksa kasus b=1b=1 dan b=Nb=N.

Petunjuk bertahap. (i) Gunakan 𝔼Ii=b/N\mathbb{E}I_i=b/N. (ii) Untuk iji\ne j, gunakan 𝔼[IiIj]=b(b1)/(N(N1))\mathbb{E}[I_iI_j]=b(b-1)/(N(N-1)). (iii) Pakai ihi=0\sum_i h_i=0.

Solusi lengkap. Karena b1iShi=b1iIihib^{-1}\sum_{i\in S}h_i=b^{-1}\sum_iI_ih_i, ekspektasi kuadrat normanya adalah 1b2[bNihi2+b(b1)N(N1)ijhi,hj].\begin{multline} \frac1{b^2}\left[ \frac bN\sum_i\left\lVert h_i\right\rVert^2 +\frac{b(b-1)}{N(N-1)} \sum_{i\ne j}\left\langle h_i,h_j\right\rangle \right]. \end{multline} Suku silang sama dengan ihi2-\sum_i\left\lVert h_i\right\rVert^2. Koefisien akhirnya (Nb)/(bN(N1))(N-b)/(bN(N-1)), dan penggantian ihi2=NVN\sum_i\left\lVert h_i\right\rVert^2=NV_N memberi rumus yang diminta. Untuk b=1b=1 faktor menjadi satu; untuk b=Nb=N menjadi nol.

Turunkan [orig01:eq:exponentiated-update] dari [orig01:eq:mirror-update]. Jelaskan mengapa iterat yang mulai positif tetap positif dan berjumlah satu.

Petunjuk bertahap. (i) Tambahkan pengali Lagrange untuk jxj=1\sum_jx_j=1. (ii) Diferensialkan terhadap setiap xjx_j. (iii) Gunakan kendala jumlah untuk menentukan faktor normalisasi.

Solusi lengkap. Dengan konvensi 0log0=00\log0=0 dan Dh(x,xk)=jxjlog(xj/xk,j)D_h(x,x_k)=\sum_jx_j\log(x_j/x_{k,j}) pada simpleks, kondisi stasioner adalah τkGk,j+log(xj/xk,j)+1+η=0.\begin{equation} \tau_kG_{k,j}+\log(x_j/x_{k,j})+1+\eta=0. \end{equation} Jadi xj=xk,jexp(τkGk,j)exp(1η)x_j=x_{k,j}\exp(-\tau_kG_{k,j})\exp(-1-\eta). Menjumlahkan seluruh koordinat menunjukkan bahwa faktor terakhir adalah kebalikan jumlah pada penyebut [orig01:eq:exponentiated-update]. Eksponensial dan penyebut positif mempertahankan kepositifan, sedangkan normalisasi mempertahankan jumlah satu.

Andaikan batas tertala ideal adalah 2Rσ/bK\sqrt2R\sigma/\sqrt{bK} dan satu iterasi minibatch memakai bb evaluasi gradien komponen. Untuk anggaran serial T=bKT=bK, tentukan ketergantungannya pada bb. Sebutkan dua keadaan ketika minibatch tetap berguna.

Petunjuk bertahap. (i) Ganti KK dengan T/bT/b. (ii) Bedakan waktu dinding dari jumlah panggilan oracle. (iii) Perhatikan pengambilan sampel tanpa penggantian.

Solusi lengkap. Substitusi memberi 2Rσb(T/b)=2RσT,\begin{equation} \frac{\sqrt2R\sigma}{\sqrt{b(T/b)}} =\frac{\sqrt2R\sigma}{\sqrt T}, \end{equation} yang bebas dari bb. Jadi model ideal tidak memprediksi penghematan evaluasi gradien serial. Minibatch tetap berguna jika evaluasi dapat diparalelkan atau komunikasi dapat diamortisasi; ia juga dapat membantu melalui koreksi populasi hingga tanpa penggantian, vektorisasi perangkat, atau batas langkah yang tidak tercakup dalam model sederhana.

Mulai dari [orig01:eq:prox-saga-bridge]. Jika 𝔼ωk2C/(k+1)\mathbb{E}\omega_k^2\leq C/(k+1), turunkan batas eksplisit menggunakan bilangan harmonik HK=j=1Kj1H_K=\sum_{j=1}^{K}j^{-1}. Bandingkan dengan kasus geometrik.

Petunjuk bertahap. (i) Jumlahkan batas varians. (ii) Gunakan HK1+logKH_K\leq1+\log K. (iii) Jangan menyimpulkan laju iterat terakhir dari batas ergodik.

Solusi lengkap. Substitusi langsung memberi 𝔼[F(xK)F(x*)]x0x*22τK+τCHKKx0x*22τK+τC(1+logK)K.\begin{equation} \mathbb{E}[F(\bar x_K)-F(x^*)] \leq\frac{\left\lVert x_0-x^*\right\rVert^2}{2\tau K} +\frac{\tau C H_K}{K} \leq\frac{\left\lVert x_0-x^*\right\rVert^2}{2\tau K} +\frac{\tau C(1+\log K)}{K}. \end{equation} Peluruhan geometrik menjadikan jumlah varians terbatas secara seragam dan menghasilkan 𝒪(1/K)\mathcal{O}(1/K) tanpa faktor logaritmik. Kedua kesimpulan hanya berlaku untuk rerata xK\bar x_K dalam korolari ini; laju iterat terakhir memerlukan analisis tambahan.

Peta asumsi dan batas klaim

Hasil Asumsi penentu Yang tidak diklaim
Proksimal stokastik ff konveks dan LL-mulus; gg proper, tertutup, konveks; oracle tak bias; varians terbatas laju iterat terakhir atau konvergensi nonkonveks
Minibatch iid sampel bersyarat bebas dengan penggantian koreksi populasi hingga
Minibatch tanpa penggantian subhimpunan seragam berukuran 1bN1\leq b\leq N dari populasi dengan N2N\geq2 independensi antaranggota batch
Cermin stokastik pembangkit α\alpha-konveks kuat; pembaruan terdefinisi; Dh(x*,x0)<D_h(x^*,x_0)<\infty; momen dual kedua terbatas simetri divergensi Bregman
Prox-SAGA penghubung ketakbiasan SAGA dan kontrol varians yang dinyatakan peluruhan geometrik varians tanpa Lyapunov

Bab ini tidak membahas ketaksamaan variasional atau operator monoton maksimal; materi tersebut adalah tranche asli berikutnya. Bab ini juga tidak mengulang LP/MIP, simpleks sebagai algoritma pemrograman linear, dualitas LP, sensitivitas LP, jaringan, atau optimisasi diskret yang merupakan cakupan O018. Kata simpleks di sini hanya menunjuk himpunan probabilitas Δd\Delta_d.

Rujukan matematis dan saksi verifikasi

  • Andreas Habring, Lecture Notes: Convex Optimization, arXiv:2607.11664v1, khususnya operator proksimal dan subgradien stokastik.

  • Clément W. Royer, Lecture Notes on Stochastic Gradient Methods, edisi 2023/2024, khususnya pembahasan minibatch dan biaya epoch; dipakai sebagai saksi perbandingan, bukan sumber prosa bab ini.

  • Lorenzo Rosasco, Silvia Villa, dan Bang Công Vũ, Convergence of Stochastic Proximal Gradient Algorithm, arXiv:1403.5074, sebagai rujukan primer bagi keluarga metode proksimal stokastik.

  • Amir Beck dan Marc Teboulle, Mirror Descent and Nonlinear Projected Subgradient Methods for Convex Optimization, Operations Research Letters 31 (2003), 167–175, DOI:10.1016/S0167-6377(02)00231-6.

  • Aaron Defazio, Francis Bach, dan Simon Lacoste-Julien, SAGA: A Fast Incremental Gradient Method With Support for Non-Strongly Convex Composite Objectives, arXiv:1407.0202v3.

Suplemen Terbatas: Douglas–Rachford

Pemisahan Douglas–Rachford

Bab ini menyajikan metode Douglas–Rachford untuk meminimumkan jumlah dua fungsi konveks melalui operator proksimal. Notasi subdiferensial dan bentuk dual dinormalkan agar persamaan konsisten dengan parameter skala yang dipakai dalam algoritma.

Kredit catatan donor.

Catatan donor menyatakan bahwa bagian ini mengikuti Bauschke dan Combettes (B&C), edisi kedua (2017), §20.3, dan mengatribusi analisis Douglas–Rachford kepada Lions dan Mercier (1979). Kredit turunan tersebut dipertahankan; edisi ini tidak mengimpor isi dari bagian yang bersebelahan.

Ambil f,gΓ0(n)f,g\in\Gamma_0(\mathbb{R}^n), yaitu fungsi konveks proper dan semikontinu bawah. Seperti pada donor, andaikan terdapat titik pelana primal–dual dan aturan jumlah subdiferensial (f+g)=f+g\begin{equation} \label{becker:eq:dr-sum-rule} \partial(f+g)=\partial f+\partial g \end{equation} berlaku. Masalah primal adalah (P)p*=minxn{f(x)+g(x)}.\begin{equation} \label{becker:eq:dr-primal} (P)\qquad p^*=\min_{x\in\mathbb{R}^n}\bigl\{f(x)+g(x)\bigr\}. \end{equation} Dengan konjugat Fenchel h*(u)=supx{u,xh(x)}h^*(u)=\sup_x\{\langle u,x\rangle-h(x)\}, bentuk maksimisasi dual yang konsisten adalah (D)d*=supun{f*(u)g*(u)}.\begin{equation} \label{becker:eq:dr-dual} (D)\qquad d^*=\sup_{u\in\mathbb{R}^n}\bigl\{-f^*(-u)-g^*(u)\bigr\}. \end{equation} Secara ekuivalen, titik dual yang sama meminimumkan f*(u)+g*(u)f^*(-u)+g^*(u). Tanda pada bentuk dual donor diperbaiki secara terbuka dalam edisi ini.

Untuk hΓ0(n)h\in\Gamma_0(\mathbb{R}^n) dan ρ>0\rho>0, tuliskan proxρh(v)=arg minwn{h(w)+12ρwv22}=(I+ρh)1(v).\begin{equation} \label{becker:eq:dr-prox-definition} \operatorname{prox}_{\rho h}(v) =\operatorname*{arg\,min}_{w\in\mathbb{R}^n} \left\{h(w)+\frac{1}{2\rho}\left\lVert w-v\right\rVert_2^2\right\} =(I+\rho\partial h)^{-1}(v). \end{equation} Pilih y0ny_0\in\mathbb{R}^n, parameter skala ρ>0\rho>0, dan parameter relaksasi tetap λ(0,2)\lambda\in(0,2). Iterasi Douglas–Rachford adalah xk=proxρg(yk),zk=proxρf(2xkyk),yk+1=yk+λ(zkxk).\begin{equation} \label{becker:eq:dr-iteration} \begin{aligned} x_k&=\operatorname{prox}_{\rho g}(y_k),\\ z_k&=\operatorname{prox}_{\rho f}(2x_k-y_k),\\ y_{k+1}&=y_k+\lambda(z_k-x_k). \end{aligned} \end{equation} Catatan donor memperingatkan bahwa konvensi untuk ρ\rho pada bagian lain mungkin memakai kebalikannya. Di sini ρ\rho selalu memiliki arti yang ditetapkan oleh [becker:eq:dr-prox-definition].

Limit bayangan dan persamaan titik tetap

Jika barisan pada [becker:eq:dr-iteration] memenuhi ykyy_k\to\bar y dan x=proxρg(y),\begin{equation} \bar x=\operatorname{prox}_{\rho g}(\bar y), \end{equation} maka x\bar x adalah solusi optimal masalah [becker:eq:dr-primal].

Proof. Karena yky_k konvergen, yk+1yk=λ(zkxk)0y_{k+1}-y_k=\lambda(z_k-x_k)\to0, sehingga zkxk0z_k-x_k\to0. Operator proksimal kontinu, maka x=proxρg(y),x=proxρf(2xy).\begin{equation} \bar x=\operatorname{prox}_{\rho g}(\bar y), \qquad \bar x=\operatorname{prox}_{\rho f}(2\bar x-\bar y). \end{equation} Syarat optimalitas kedua operator proksimal memberi yxρg(x),xyρf(x).\begin{equation} \frac{\bar y-\bar x}{\rho}\in\partial g(\bar x), \qquad \frac{\bar x-\bar y}{\rho}\in\partial f(\bar x). \end{equation} Menjumlahkan kedua inklusi dan memakai aturan [becker:eq:dr-sum-rule] menghasilkan 0(f+g)(x)0\in\partial(f+g)(\bar x), yang setara dengan optimalitas primal. ◻

Persamaan titik tetapnya dapat dilihat langsung dari syarat optimalitas. Untuk solusi primal xx, pilih ug(x)u\in\partial g(x) dengan uf(x)-u\in\partial f(x), lalu definisikan y=x+ρuy=x+\rho u. Dengan demikian yx+ρg(x),x=(I+ρg)1(y)=proxρg(y),2xy=xρux+ρf(x),x=(I+ρf)1(2xy)=proxρf(2xy).\begin{equation} \label{becker:eq:dr-resolvent-motivation} \begin{aligned} y&\in x+\rho\partial g(x), &x&=(I+\rho\partial g)^{-1}(y)=\operatorname{prox}_{\rho g}(y),\\ 2x-y=x-\rho u&\in x+\rho\partial f(x), &x&=(I+\rho\partial f)^{-1}(2x-y)=\operatorname{prox}_{\rho f}(2x-y). \end{aligned} \end{equation} Jadi, dengan x=proxρg(y),z=proxρf(2xy),\begin{equation} x=\operatorname{prox}_{\rho g}(y), \qquad z=\operatorname{prox}_{\rho f}(2x-y), \end{equation} syarat solusi menjadi zx=0z-x=0. Pembaruan yy+λ(zx)y\leftarrow y+\lambda(z-x) pada [becker:eq:dr-iteration] merupakan iterasi relaksasi menuju titik tetap itu. Faktor ρ\rho dan pilihan subgradien uu ditulis eksplisit karena subdiferensial pada umumnya bernilai himpunan dan tidak dapat diperlakukan sebagai satu vektor dg(x)d g(x).

Hubungan dengan ADMM

Pernyataan singkat donor bahwa ADMM merupakan kasus khusus Douglas–Rachford dipahami dalam bentuk yang lazim dan lebih presisi: ADMM dapat diperoleh sebagai pemisahan Douglas–Rachford yang diterapkan pada masalah dual yang sesuai. Bagian ADMM yang mendahului rentang beku tidak diimpor ke modul ini.

Operator Monoton dan Pemisahan

Ketaksamaan Variasional, Operator Monoton, Resolven, dan Pemisahan

Bab sebelumnya menghubungkan metode proksimal dengan oracle stokastik, minibatch, geometri Bregman, dan reduksi varians. Bab ini mengambil langkah abstraksi berikutnya: kondisi optimalitas diperlakukan sebagai pencarian nol operator bernilai himpunan. Kerangka ini menyatukan ketaksamaan variasional, subdiferensial, kerucut normal, langkah proksimal implisit, pemisahan maju–mundur, dan pemisahan Douglas–Rachford.

Seluruh uraian, bukti penghubung, latihan, solusi, dan laboratorium dalam bab ini ditulis secara mandiri. Bab Habring tentang subgradien dan metode gradien proksimal serta modul Becker tentang Douglas–Rachford dipakai sebagai prasyarat dan saksi konsistensi. Tidak ada prosa, tata letak, gambar, latihan, solusi, atau kode dari sumber tersebut yang disalin.

Untuk operator bernilai himpunan A:ddA:\mathbb{R}^d\rightrightarrows\mathbb{R}^d, definisikan graphA={(x,u):uAx},domA={x:Ax},zerA={x:0Ax}.\begin{equation} \operatorname{graph}A=\{(x,u):u\in Ax\}, \qquad \operatorname{dom}A=\{x:Ax\neq\emptyset\}, \qquad \operatorname{zer}A=\{x:0\in Ax\}. \end{equation} Notasi AxAx menekankan bahwa nilai operator dapat berupa himpunan, bukan satu vektor. Masalah dasar bab ini ialah cari x*d sehingga 0(A+B)x*.\begin{equation} \label{orig02:eq:zero-problem} \text{cari }x^*\in\mathbb{R}^d\text{ sehingga }0\in(A+B)x^*. \end{equation}

Kemonotonan dan kemaksimalan

Operator A:ddA:\mathbb{R}^d\rightrightarrows\mathbb{R}^d disebut monoton jika uv,xy0untuk semua (x,u),(y,v)graphA.\begin{equation} \label{orig02:eq:monotone} \left\langle u-v,x-y\right\rangle\geq0 \qquad \text{untuk semua }(x,u),(y,v)\in\operatorname{graph}A. \end{equation} Ia disebut μ\mu-monoton kuat, dengan μ>0\mu>0, jika ruas kanan dapat diganti oleh μxy2\mu\left\lVert x-y\right\rVert^2.

Operator monoton AA disebut monoton maksimal jika tidak ada operator monoton lain yang grafiknya memuat graphA\operatorname{graph}A secara ketat. Kata maksimal merujuk pada inklusi grafik, bukan pada nilai fungsi atau ukuran norma.

Kemonotonan saja belum menjamin bahwa operator mempunyai cukup banyak nilai untuk mendefinisikan langkah implisit pada setiap titik. Sebagai contoh, operator dengan grafik tunggal {(0,0)}\{(0,0)\} monoton, tetapi tidak maksimal, karena grafik itu dapat diperluas menjadi grafik operator nol pada seluruh d\mathbb{R}^d.

Jika f:d(,+]f:\mathbb{R}^d\to(-\infty,+\infty] proper dan konveks, maka f\partial f monoton.

Proof. Ambil uf(x)u\in\partial f(x) dan vf(y)v\in\partial f(y). Ketaksamaan subgradien memberi f(y)f(x)+u,yx,f(x)f(y)+v,xy.\begin{equation} f(y)\geq f(x)+\left\langle u,y-x\right\rangle, \qquad f(x)\geq f(y)+\left\langle v,x-y\right\rangle. \end{equation} Menjumlahkan keduanya menghasilkan uv,xy0\left\langle u-v,x-y\right\rangle\geq0. ◻

Teorema Rockafellar memperkuat hasil tersebut: jika ff juga semikontinu bawah, maka f\partial f monoton maksimal. Bab ini memakai teorema itu sebagai hasil dasar, bukan membuktikan kembali argumen pemisahan lengkapnya. Akibat pentingnya ialah kerucut normal dan operator proksimal masuk ke dalam kerangka yang sama.

Ketaksamaan variasional sebagai inklusi monoton

Untuk himpunan konveks tertutup tak kosong CdC\subseteq\mathbb{R}^d, kerucut normal pada xx didefinisikan oleh NC(x)={{u:u,yx0 untuk semua yC},xC,,xC.\begin{equation} \label{orig02:eq:normal-cone} N_C(x)= \begin{cases} \{u:\left\langle u,y-x\right\rangle\leq0\text{ untuk semua }y\in C\},&x\in C,\\ \emptyset,&x\notin C. \end{cases} \end{equation} Karena NC=δCN_C=\partial\delta_C, operator ini monoton maksimal.

Untuk pemetaan F:ddF:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}^d, masalah VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) ialah mencari x*Cx^*\in C sedemikian sehingga F(x*),yx*0untuk semua yC.\begin{equation} \label{orig02:eq:vi} \left\langle F(x^*),y-x^*\right\rangle\geq0 \qquad\text{untuk semua }y\in C. \end{equation}

Suatu titik x*x^* menyelesaikan VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) jika dan hanya jika 0F(x*)+NC(x*).\begin{equation} \label{orig02:eq:vi-inclusion} 0\in F(x^*)+N_C(x^*). \end{equation} Secara ekuivalen, untuk setiap γ>0\gamma>0, x*=PC(x*γF(x*)).\begin{equation} \label{orig02:eq:vi-projection} x^*=P_C\bigl(x^*-\gamma F(x^*)\bigr). \end{equation}

Proof. Menurut [orig02:eq:normal-cone], inklusi F(x*)NC(x*)-F(x^*)\in N_C(x^*) tepat berarti x*Cx^*\in C dan F(x*),yx*0\left\langle -F(x^*),y-x^*\right\rangle\leq0 untuk setiap yCy\in C. Membalik tanda menghasilkan [orig02:eq:vi]. Karakterisasi proyeksi p=PCzzpNC(p)p=P_Cz\Longleftrightarrow z-p\in N_C(p) dengan z=x*γF(x*)z=x^*-\gamma F(x^*) memberi ekuivalensi proyeksi. ◻

Jika F=fF=\nabla f untuk fungsi konveks terdiferensialkan ff, kondisi ini adalah kondisi optimalitas bagi minxCf(x)\min_{x\in C}f(x). Namun, ketaksamaan variasional lebih luas: pemetaan monoton tidak harus merupakan gradien.

Jika FF μ\mu-monoton kuat pada CC, maka VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) mempunyai paling banyak satu solusi.

Proof. Andaikan xx dan yy keduanya solusi. Masukkan yy ke ketaksamaan untuk xx dan xx ke ketaksamaan untuk yy. Setelah dijumlahkan, F(x)F(y),xy0.\begin{equation} \left\langle F(x)-F(y),x-y\right\rangle\leq0. \end{equation} Kemonotonan kuat memberi ruas kiri sekurang-kurangnya μxy2\mu\left\lVert x-y\right\rVert^2. Jadi x=yx=y. ◻

Andaikan FF μ\mu-monoton kuat dan LL-Lipschitz pada CC, dengan 0<μL0<\mu\leq L. Untuk 0<γ<2μL2,Tγ=PC(IγF),\begin{equation} 0<\gamma<\frac{2\mu}{L^2}, \qquad T_\gamma=P_C(I-\gamma F), \end{equation} pemetaan Tγ:CCT_\gamma:C\to C merupakan kontraksi dengan faktor q=12γμ+γ2L2<1.\begin{equation} \label{orig02:eq:vi-contraction-factor} q=\sqrt{1-2\gamma\mu+\gamma^2L^2}<1. \end{equation} Karena itu, VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) mempunyai tepat satu solusi x*x^*, dan iterasi xk+1=Tγxkx_{k+1}=T_\gamma x_k memenuhi xkx*qkx0x*\left\lVert x_k-x^*\right\rVert\leq q^k\left\lVert x_0-x^*\right\rVert.

Proof. Sifat tak ekspansif proyeksi, kemonotonan kuat, dan sifat Lipschitz memberi TγxTγy2(xy)γ(FxFy)2(12γμ+γ2L2)xy2.\begin{equation} \begin{aligned} \left\lVert T_\gamma x-T_\gamma y\right\rVert^2 &\leq\left\lVert (x-y)-\gamma(Fx-Fy)\right\rVert^2\\ &\leq(1-2\gamma\mu+\gamma^2L^2)\left\lVert x-y\right\rVert^2. \end{aligned} \end{equation} Rentang γ\gamma membuat faktor kuadrat lebih kecil dari satu. Himpunan tertutup CC lengkap, maka teorema titik tetap Banach memberi satu-satunya titik tetap dan konvergensi geometrik. Menurut  [orig02:eq:vi-projection], titik tetap itu tepat solusi VI. ◻

Bab ini tidak memakai simpleks sebagai algoritma pemrograman linear. Proyeksi, kerucut normal, dan ketaksamaan variasional di sini berada dalam analisis konveks kontinu dan tidak mengimpor LP/MIP, dualitas atau sensitivitas LP, jaringan, maupun optimisasi diskret dari O018.

Resolven operator monoton maksimal

Untuk γ>0\gamma>0, definisikan resolven dan resolven terefleksi JγA=(I+γA)1,RγA=2JγAI.\begin{equation} \label{orig02:eq:resolvent-definition} J_{\gamma A}=(I+\gamma A)^{-1}, \qquad R_{\gamma A}=2J_{\gamma A}-I. \end{equation} Secara apriori, invers tersebut dapat bernilai himpunan atau tidak terdefinisi pada sebagian titik. Untuk operator monoton AA, teorema Minty menutup kedua celah itu: di ruang Euclid, AA monoton maksimal jika dan hanya jika ran(I+γA)=d\operatorname{ran}(I+\gamma A)=\mathbb{R}^d untuk setiap γ>0\gamma>0.

Jika AA monoton maksimal dan γ>0\gamma>0, maka JγAJ_{\gamma A} bernilai tunggal pada seluruh d\mathbb{R}^d dan JγAxJγAy2JγAxJγAy,xy.\begin{equation} \label{orig02:eq:firm-nonexpansive} \left\lVert J_{\gamma A}x-J_{\gamma A}y\right\rVert^2 \leq \left\langle J_{\gamma A}x-J_{\gamma A}y,x-y\right\rangle. \end{equation} Akibatnya, JγAJ_{\gamma A} tak ekspansif dan RγAR_{\gamma A} tak ekspansif.

Proof. Teorema Minty memberi keberadaan pada setiap xx. Ambil p=JγAxp=J_{\gamma A}x dan q=JγAyq=J_{\gamma A}y. Maka (xp)/γAp(x-p)/\gamma\in Ap dan (yq)/γAq(y-q)/\gamma\in Aq. Kemonotonan memberi pq,(xp)(yq)0,\begin{equation} \left\langle p-q,(x-p)-(y-q)\right\rangle\geq0, \end{equation} yang sama dengan [orig02:eq:firm-nonexpansive]. Jika dua nilai resolven berkorespondensi dengan xx yang sama, ketaksamaan itu memaksa keduanya sama, sehingga resolven bernilai tunggal. Ketaksamaan Cauchy–Schwarz memberi sifat tak ekspansif. Terakhir, RγAxRγAy2=2(pq)(xy)2=xy24(pq,xypq2)xy2.\begin{equation} \begin{aligned} \left\lVert R_{\gamma A}x-R_{\gamma A}y\right\rVert^2 & =\left\lVert 2(p-q)-(x-y)\right\rVert^2\\ & =\left\lVert x-y\right\rVert^2 -4\bigl(\left\langle p-q,x-y\right\rangle-\left\lVert p-q\right\rVert^2\bigr)\\ & \leq\left\lVert x-y\right\rVert^2. \end{aligned} \end{equation} ◻

Untuk setiap γ>0\gamma>0, xzerAx=JγAx.\begin{equation} \label{orig02:eq:zero-fixed} x\in\operatorname{zer}A \quad\Longleftrightarrow\quad x=J_{\gamma A}x. \end{equation} Jika A=fA=\partial f, maka JγA=proxγfJ_{\gamma A}=\operatorname{prox}_{\gamma f}; jika A=NCA=N_C, maka JγA=PCJ_{\gamma A}=P_C.

Proof. Ekuivalensi pertama langsung dari x=JγAxxx+γAxx=J_{\gamma A}x\Longleftrightarrow x\in x+\gamma Ax. Dua identitas terakhir adalah kondisi optimalitas proksimal dan proyeksi. ◻

Metode titik proksimal

Metode titik proksimal menerapkan resolven secara berulang: xk+1=JγAxk,γ>0.\begin{equation} \label{orig02:eq:ppa} x_{k+1}=J_{\gamma A}x_k, \qquad \gamma>0. \end{equation} Ini adalah langkah implisit karena (xkxk+1)/γAxk+1(x_k-x_{k+1})/\gamma\in Ax_{k+1}.

Andaikan AA monoton maksimal dan Z=zerAZ=\operatorname{zer}A\neq\emptyset. Maka untuk setiap zZz\in Z, iterasi [orig02:eq:ppa] memenuhi xk+1z2+xk+1xk2xkz2.\begin{equation} \label{orig02:eq:ppa-fejer} \left\lVert x_{k+1}-z\right\rVert^2+\left\lVert x_{k+1}-x_k\right\rVert^2 \leq\left\lVert x_k-z\right\rVert^2. \end{equation} Dalam dimensi hingga, xkx_k konvergen ke suatu titik dalam ZZ.

Proof. Karena z=JγAzz=J_{\gamma A}z, terapkan ketaksamaan [orig02:eq:firm-nonexpansive] pada xkx_k dan zz, lalu gunakan identitas xkz2=xkxk+12+xk+1z2+2xkxk+1,xk+1z.\begin{equation} \left\lVert x_k-z\right\rVert^2 =\left\lVert x_k-x_{k+1}\right\rVert^2+\left\lVert x_{k+1}-z\right\rVert^2 +2\left\langle x_k-x_{k+1},x_{k+1}-z\right\rangle. \end{equation} Hasilnya adalah [orig02:eq:ppa-fejer]. Jadi jarak ke setiap titik ZZ tidak membesar dan kxk+1xk2<\sum_k\left\lVert x_{k+1}-x_k\right\rVert^2<\infty.

Barisan terbatas, sehingga mempunyai titik gugus x\bar x. Sepanjang subbarisan yang menuju x\bar x, berlaku xk+1xx_{k+1}\to\bar x dan (xkxk+1)/γ0(x_k-x_{k+1})/\gamma\to0. Grafik operator monoton maksimal tertutup; karena (xk+1,(xkxk+1)/γ)graphA(x_{k+1},(x_k-x_{k+1})/\gamma)\in\operatorname{graph}A, diperoleh 0Ax0\in A\bar x. Sifat Fejér terhadap x\bar x kemudian memaksa seluruh barisan konvergen ke x\bar x. ◻

Hasil ini menjelaskan kestabilan langkah implisit tanpa mengklaim bahwa JγAJ_{\gamma A} selalu mudah dihitung. Pemisahan operator berguna ketika resolven bagian-bagian operator jauh lebih sederhana daripada resolven jumlahnya.

Pemisahan maju–mundur

Pemetaan tunggal B:ddB:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}^d disebut β\beta-kokorsif jika BxBy,xyβBxBy2untuk semua x,y.\begin{equation} \label{orig02:eq:cocoercive} \left\langle Bx-By,x-y\right\rangle\geq\beta\left\lVert Bx-By\right\rVert^2 \qquad\text{untuk semua }x,y. \end{equation} Kokorsivitas lebih kuat daripada gabungan kemonotonan dan kontinuitas Lipschitz. Gradien fungsi konveks dengan gradien LL-Lipschitz bersifat 1/L1/L-kokorsif.

Untuk AA monoton maksimal dan BB β\beta-kokorsif, definisikan TFB=JγA(IγB),0<γ<2β.\begin{equation} \label{orig02:eq:fb-operator} T_{\mathrm{FB}}=J_{\gamma A}(I-\gamma B), \qquad 0<\gamma<2\beta. \end{equation}

Andaikan zer(A+B)\operatorname{zer}(A+B)\neq\emptyset. Maka xzer(A+B)x=TFBx.\begin{equation} \label{orig02:eq:fb-fixed} x\in\operatorname{zer}(A+B) \quad\Longleftrightarrow\quad x=T_{\mathrm{FB}}x. \end{equation} Untuk 0<γ<2β0<\gamma<2\beta, iterasi xk+1=TFBxkx_{k+1}=T_{\mathrm{FB}}x_k konvergen di ruang berdimensi hingga ke suatu nol A+BA+B.

Proof. Dari definisi resolven, x=JγA(xγBx)xγBxx+γAx0Ax+Bx.\begin{equation} \begin{aligned} x=J_{\gamma A}(x-\gamma Bx) &\Longleftrightarrow x-\gamma Bx\in x+\gamma Ax\\ &\Longleftrightarrow 0\in Ax+Bx. \end{aligned} \end{equation} Selanjutnya, [orig02:eq:cocoercive] memberi (IγB)x(IγB)y2xy2γ(2βγ)BxBy2.\begin{equation} \left\lVert (I-\gamma B)x-(I-\gamma B)y\right\rVert^2 \leq\left\lVert x-y\right\rVert^2 -\gamma(2\beta-\gamma)\left\lVert Bx-By\right\rVert^2. \end{equation} Jadi langkah maju tererata untuk rentang langkah yang dinyatakan. Resolven tak ekspansif kukuh (firmly nonexpansive), dan komposisinya tererata dengan parameter 2β/(4βγ)(0,1)2\beta/(4\beta-\gamma)\in(0,1). Iterasi Picard pemetaan tererata dengan himpunan titik tetap tak kosong bersifat Fejér, residunya menuju nol, dan dalam dimensi hingga konvergen ke suatu titik tetap. Gunakan ekuivalensi [orig02:eq:fb-fixed]. ◻

Dengan A=gA=\partial g dan B=fB=\nabla f, pemetaan ini tepat menjadi langkah gradien proksimal yang telah diterjemahkan dari Habring. Nilai tambah bab ini ialah batas operatornya: langkah eksplisit memerlukan struktur seperti kokorsivitas, bukan hanya kemonotonan.

Perbaikan ekstragradien untuk operator monoton Lipschitz

Untuk VI dengan FF monoton dan LL-Lipschitz, kokorsivitas belum tentu berlaku. Langkah proyeksi tunggal dapat diganti oleh dua evaluasi berurutan: yk=PC(xkγF(xk)),xk+1=PC(xkγF(yk)),0<γ<1L.\begin{equation} \label{orig02:eq:extragradient} y_k=P_C\bigl(x_k-\gamma F(x_k)\bigr), \qquad x_{k+1}=P_C\bigl(x_k-\gamma F(y_k)\bigr), \qquad 0<\gamma<\frac1L. \end{equation}

Jika himpunan solusi VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) tidak kosong, maka untuk setiap solusi x*x^*, xk+1x*2xkx*2(1γL)(xkyk2+ykxk+12).\begin{equation} \label{orig02:eq:extragradient-fejer} \left\lVert x_{k+1}-x^*\right\rVert^2 \leq\left\lVert x_k-x^*\right\rVert^2 -(1-\gamma L) \bigl(\left\lVert x_k-y_k\right\rVert^2+\left\lVert y_k-x_{k+1}\right\rVert^2\bigr). \end{equation} Dalam dimensi hingga, xkx_k konvergen ke suatu solusi VI.

Proof. Karakterisasi proyeksi untuk pembaruan kedua dan sifat solusi VI, bersama kemonotonan FF, memberi xk+1x*2xkx*2xkxk+122γF(yk),xk+1yk.\begin{equation} \left\lVert x_{k+1}-x^*\right\rVert^2 \leq\left\lVert x_k-x^*\right\rVert^2-\left\lVert x_k-x_{k+1}\right\rVert^2 -2\gamma\left\langle F(y_k),x_{k+1}-y_k\right\rangle. \end{equation} Karakterisasi proyeksi untuk yky_k, diuji pada xk+1Cx_{k+1}\in C, memberi xkyk,xk+1ykγF(xk),xk+1yk.\begin{equation} \left\langle x_k-y_k,x_{k+1}-y_k\right\rangle \leq\gamma\left\langle F(x_k),x_{k+1}-y_k\right\rangle. \end{equation} Substitusi, sifat Lipschitz, dan 2aba2+b22ab\leq a^2+b^2 menghasilkan xk+1x*2xkx*2xkyk2ykxk+12+2γLxkykykxk+1,\begin{equation} \begin{aligned} \left\lVert x_{k+1}-x^*\right\rVert^2 &\leq\left\lVert x_k-x^*\right\rVert^2 -\left\lVert x_k-y_k\right\rVert^2-\left\lVert y_k-x_{k+1}\right\rVert^2\\ &\quad+2\gamma L\left\lVert x_k-y_k\right\rVert\left\lVert y_k-x_{k+1}\right\rVert, \end{aligned} \end{equation} lalu [orig02:eq:extragradient-fejer]. Kedua selisih berurutan menuju nol. Ambil titik gugus x\bar x dan lewatkan ketaksamaan proyeksi pertama ke limit; diperoleh F(x),zx0\left\langle F(\bar x),z-\bar x\right\rangle\geq0 untuk setiap zCz\in C. Jadi setiap titik gugus adalah solusi, dan sifat Fejér memaksa konvergensi seluruh barisan. ◻

Pemisahan Douglas–Rachford dan limit bayangan

Andaikan AA dan BB monoton maksimal. Definisikan TDR=12(I+RγARγB)=IJγB+JγA(2JγBI).\begin{equation} \label{orig02:eq:dr-operator} T_{\mathrm{DR}} =\frac12\bigl(I+R_{\gamma A}R_{\gamma B}\bigr) =I-J_{\gamma B}+J_{\gamma A}(2J_{\gamma B}-I). \end{equation} Karena kedua resolven terefleksi tak ekspansif, komposisinya tak ekspansif dan TDRT_{\mathrm{DR}} tak ekspansif kukuh.

Andaikan zer(A+B)\operatorname{zer}(A+B)\neq\emptyset. Barisan yk+1=TDRyk,xk=JγByk,\begin{equation} \label{orig02:eq:dr-iteration} y_{k+1}=T_{\mathrm{DR}}y_k, \qquad x_k=J_{\gamma B}y_k, \end{equation} konvergen dalam dimensi hingga menuju yFixTDR\bar y\in\operatorname{Fix}T_{\mathrm{DR}}, dan bayangannya memenuhi JγByzer(A+B)J_{\gamma B}\bar y\in\operatorname{zer}(A+B).

Proof. Jika yy titik tetap, tetapkan x=JγByx=J_{\gamma B}y dan z=JγA(2xy)z=J_{\gamma A}(2x-y). Persamaan titik tetap dalam bentuk kedua [orig02:eq:dr-operator] memberi z=xz=x. Kondisi resolven lalu memberi yxγBx,xyγAx,\begin{equation} \frac{y-x}{\gamma}\in Bx, \qquad \frac{x-y}{\gamma}\in Ax, \end{equation} sehingga 0(A+B)x0\in(A+B)x.

Sebaliknya, jika 0(A+B)x0\in(A+B)x, pilih bBxb\in Bx dengan bAx-b\in Ax dan tetapkan y=x+γby=x+\gamma b. Maka x=JγByx=J_{\gamma B}y dan x=JγA(2xy)x=J_{\gamma A}(2x-y), jadi yy titik tetap. Himpunan titik tetap karena itu tidak kosong. Kekukuhan tak ekspansif TDRT_{\mathrm{DR}} dan argumen Fejér yang sama dengan metode titik proksimal memberi ykyy_k\to\bar y. Kontinuitas resolven memberi xkJγByx_k\to J_{\gamma B}\bar y, yang merupakan nol jumlah. ◻

Modul Becker 2 sudah menyediakan bentuk proksimal konkret untuk A=fA=\partial f dan B=gB=\partial g, berikut penormalan skala serta hubungan primal–dualnya. Bagian ini tidak mengulang materi tersebut; ia menjelaskan mengapa rumus yang sama bekerja untuk operator monoton maksimal yang tidak harus merupakan subdiferensial.

Mengapa kemonotonan saja tidak cukup untuk langkah maju

Ambil ω0\omega\neq0 dan operator linear S=ω(0110).\begin{equation} \label{orig02:eq:skew} S=\omega \begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}. \end{equation} Karena Sh,h=0\left\langle Sh,h\right\rangle=0 untuk semua hh, operator SS monoton. Ia juga monoton maksimal karena I+γSI+\gamma S invertibel untuk setiap γ>0\gamma>0. Namun, SS tidak β\beta-kokorsif untuk satu pun β>0\beta>0: ruas kiri ketaksamaan kokorsif selalu nol, sedangkan ruas kanan positif bila h0h\neq0.

Langkah maju xk+1=(IγS)xkx_{k+1}=(I-\gamma S)x_k memenuhi xk+12=(1+γ2ω2)xk2,\begin{equation} \left\lVert x_{k+1}\right\rVert^2=(1+\gamma^2\omega^2)\left\lVert x_k\right\rVert^2, \end{equation} sehingga menjauh dari nol untuk x00x_0\neq0. Sebaliknya, langkah resolven xk+1=JγSxkx_{k+1}=J_{\gamma S}x_k memenuhi xk+1=11+γ2ω2xk.\begin{equation} \left\lVert x_{k+1}\right\rVert =\frac{1}{\sqrt{1+\gamma^2\omega^2}}\left\lVert x_k\right\rVert. \end{equation} Contoh ini memisahkan dengan jelas tiga gagasan: monoton, Lipschitz, dan kokorsif tidak saling dapat dipertukarkan.

Laboratorium 2: inklusi linear-skew dengan regularisasi 1\ell_1

Laboratorium pendamping mempelajari 0Mxb+λx1,M=μI+ω(0110),μ>0.\begin{equation} \label{orig02:eq:lab-inclusion} 0\in Mx-b+\lambda\partial\left\lVert x\right\rVert_1, \qquad M=\mu I+\omega \begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}, \quad \mu>0. \end{equation} Bagian simetris μI\mu I membuat operator xMxbx\mapsto Mx-b monoton kuat, sedangkan bagian skew menjaganya di luar kelas gradien fungsi konveks biasa. Operator itu β\beta-kokorsif dengan β=μμ2+ω2.\begin{equation} \label{orig02:eq:lab-beta} \beta=\frac{\mu}{\mu^2+\omega^2}. \end{equation}

Kode membandingkan tiga jejak: maju–mundur dengan langkah di dalam rentang 0<γ<2β0<\gamma<2\beta, maju–mundur dengan langkah beku di luar jaminan teorema, dan Douglas–Rachford dengan resolven linear eksak serta ambang lunak. Solusi acuan unik diperoleh dengan enumerasi sembilan pola aktif tanda {1,0,1}2\{-1,0,1\}^2, bukan dengan menyembunyikan jawaban di dalam algoritma. NumPy memeriksa sistem linear, residu inklusi, dan identitas resolven. Diagnostik kedua memakai operator skew murni untuk mencocokkan faktor norma eksak langkah maju, ekstragradien, dan resolven hingga galat pembulatan.

Tugas laboratorium:

  1. Jalankan konfigurasi beku dan cocokkan ringkasan JSON serta CSV.

  2. Verifikasi secara numerik bahwa langkah stabil memenuhi γ<2β\gamma<2\beta, sedangkan langkah diagnostik berada di luar rentang itu.

  3. Periksa bahwa residu titik tetap rγ(x)=xsoft(xγ(Mxb),γλ)\begin{equation} r_\gamma(x)= \left\lVert x-\operatorname{soft}(x-\gamma(Mx-b),\gamma\lambda)\right\rVert \end{equation} menuju nol bagi jejak yang diterima.

  4. Ubah ω\omega tanpa mengubah μ\mu dan jelaskan pengaruhnya pada β\beta serta rentang langkah maju–mundur.

  5. Gunakan CSV, bukan gambar saja, untuk membandingkan residu akhir dan galat terhadap solusi acuan.

  6. Pada diagnostik skew murni, cocokkan faktor kontraksi ekstragradien 1γ2+γ4\sqrt{1-\gamma^2+\gamma^4} dengan hasil numerik.

Latihan, petunjuk, dan solusi lengkap

Untuk C=[0,+)C=[0,+\infty) dan F(x)=axbF(x)=ax-b dengan a>0a>0, tentukan solusi VI(F,C)\operatorname{VI}(F,C) melalui inklusi kerucut normal.

Petunjuk bertahap. (i) Pisahkan kasus x>0x>0 dan x=0x=0. (ii) Untuk x>0x>0, NC(x)={0}N_C(x)=\{0\}. (iii) Pada x=0x=0, NC(0)=(,0]N_C(0)=(-\infty,0].

Solusi lengkap. Jika x>0x>0, inklusi 0axb+NC(x)0\in ax-b+N_C(x) memberi x=b/ax=b/a, yang sah hanya bila b>0b>0. Pada x=0x=0, inklusi menjadi 0b+(,0]0\in-b+(-\infty,0], atau b0b\leq0. Jadi solusi tunggal adalah x*=max{b/a,0}.\begin{equation} x^*=\max\{b/a,0\}. \end{equation}

Definisikan operator AA melalui graphA={(0,0)}.\begin{equation} \operatorname{graph}A=\{(0,0)\}. \end{equation} Buktikan bahwa AA monoton tetapi tidak monoton maksimal.

Petunjuk bertahap. (i) Uji definisi kemonotonan pada satu pasangan yang tersedia. (ii) Cari operator monoton dengan grafik lebih besar.

Solusi lengkap. Satu-satunya pasangan grafik yang dapat dibandingkan adalah (0,0)(0,0) dengan dirinya sendiri, sehingga hasil kali dalam pada definisi bernilai nol. Jadi AA monoton. Operator nol Ãx={0}\widetilde A x=\{0\} untuk semua xdx\in\mathbb{R}^d juga monoton dan graphAgraphÃ\operatorname{graph}A\subsetneq\operatorname{graph}\widetilde A. Karena ada perluasan monoton ketat, AA tidak maksimal.

Mulai dari [orig02:eq:firm-nonexpansive]. Buktikan bahwa RγA=2JγAIR_{\gamma A}=2J_{\gamma A}-I tak ekspansif.

Petunjuk bertahap. (i) Tetapkan p=JγAxp=J_{\gamma A}x dan q=JγAyq=J_{\gamma A}y. (ii) Kembangkan kuadrat norma 2(pq)(xy)2(p-q)-(x-y).

Solusi lengkap. Perluasan langsung memberi RγAxRγAy2=xy2+4pq24pq,xyxy2,\begin{equation} \begin{aligned} \left\lVert R_{\gamma A}x-R_{\gamma A}y\right\rVert^2 &=\left\lVert x-y\right\rVert^2+4\left\lVert p-q\right\rVert^2-4\left\langle p-q,x-y\right\rangle\\ &\leq\left\lVert x-y\right\rVert^2, \end{aligned} \end{equation} karena kekukuhan tak ekspansif menyatakan pq2pq,xy\left\lVert p-q\right\rVert^2\leq\left\langle p-q,x-y\right\rangle.

Untuk ω=1\omega=1 pada [orig02:eq:skew], hitung norma operator langkah maju IγSI-\gamma S, langkah ekstragradien (1γ2)IγS(1-\gamma^2)I-\gamma S, dan resolven (I+γS)1(I+\gamma S)^{-1}.

Petunjuk bertahap. (i) Gunakan S=SS^\top=-S dan SS=ω2IS^\top S=\omega^2I. (ii) Hitung kuadrat norma pada vektor sembarang.

Solusi lengkap. (IγS)(IγS)=(1+γ2ω2)I,\begin{equation} (I-\gamma S)^\top(I-\gamma S) =(1+\gamma^2\omega^2)I, \end{equation} dan dengan ω=1\omega=1 normanya 1+γ2>1\sqrt{1+\gamma^2}>1. Untuk ekstragradien, suku silang kembali hilang dan normanya (1γ2)2+γ2=1γ2+γ4<1\sqrt{(1-\gamma^2)^2+\gamma^2} =\sqrt{1-\gamma^2+\gamma^4}<1 bila 0<γ<10<\gamma<1. Selain itu, (I+γS)(I+γS)=(1+γ2)I(I+\gamma S)^\top(I+\gamma S)=(1+\gamma^2)I, sehingga norma inversnya 1/1+γ2<11/\sqrt{1+\gamma^2}<1.

Untuk M=μI+SM=\mu I+S dengan μ>0\mu>0, buktikan bahwa pemetaan xMxbx\mapsto Mx-b bersifat β\beta-kokorsif dengan β=μ/(μ2+ω2)\beta=\mu/(\mu^2+\omega^2).

Petunjuk bertahap. (i) Konstanta bb hilang ketika dua nilai dikurangkan. (ii) Gunakan Sh,h=0\left\langle Sh,h\right\rangle=0 dan Mh2=(μ2+ω2)h2\left\lVert Mh\right\rVert^2=(\mu^2+\omega^2)\left\lVert h\right\rVert^2.

Solusi lengkap. Untuk h=xyh=x-y, MxMy,xy=μh2,MxMy2=(μ2+ω2)h2.\begin{equation} \left\langle Mx-My,x-y\right\rangle=\mu\left\lVert h\right\rVert^2, \qquad \left\lVert Mx-My\right\rVert^2=(\mu^2+\omega^2)\left\lVert h\right\rVert^2. \end{equation} Bila h=0h=0, kesamaan kokorsif berlaku langsung. Bila h0h\neq0, membagi kedua identitas memberi tepat MxMy,xy=βMxMy2\left\langle Mx-My,x-y\right\rangle=\beta\left\lVert Mx-My\right\rVert^2.

Andaikan y=TDRyy=T_{\mathrm{DR}}y dan tetapkan x=JγByx=J_{\gamma B}y. Tunjukkan secara langsung bahwa 0(A+B)x0\in(A+B)x.

Petunjuk bertahap. (i) Tulis z=JγA(2xy)z=J_{\gamma A}(2x-y). (ii) Gunakan bentuk kedua [orig02:eq:dr-operator] untuk memperoleh z=xz=x. (iii) Jumlahkan dua inklusi resolven.

Solusi lengkap. Persamaan titik tetap memberi 0=x+z0=-x+z, sehingga z=xz=x. Dari definisi resolven, yxγBx,2xyzγ=xyγAx.\begin{equation} \frac{y-x}{\gamma}\in Bx, \qquad \frac{2x-y-z}{\gamma} =\frac{x-y}{\gamma}\in Ax. \end{equation} Kedua unsur menjumlah menjadi nol, maka 0(A+B)x0\in(A+B)x.

Peta asumsi dan batas klaim

Hasil Asumsi penentu Yang tidak diklaim
Ekuivalensi VI CC konveks tertutup tak kosong; definisi kerucut normal keberadaan solusi tanpa asumsi tambahan
Resolven AA monoton maksimal; γ>0\gamma>0 resolven jumlah mudah dihitung
Titik proksimal himpunan nol tak kosong; dimensi hingga; langkah tetap positif laju linear tanpa kemonotonan kuat
Maju–mundur AA monoton maksimal; BB β\beta-kokorsif; 0<γ<2β0<\gamma<2\beta konvergensi untuk operator monoton Lipschitz umum
Ekstragradien FF monoton dan LL-Lipschitz; CC konveks tertutup; 0<γ<1/L0<\gamma<1/L satu evaluasi operator per iterasi
Douglas–Rachford A,BA,B monoton maksimal; nol jumlah tak kosong setiap iterat bayangan sudah merupakan solusi
Laboratorium konfigurasi linear-skew dua dimensi yang dibekukan kinerja universal atau peringkat algoritma

Rujukan matematis dan saksi verifikasi

  • Andreas Habring, Lecture Notes: Convex Optimization, arXiv:2607.11664v1, khususnya subdiferensial, operator proksimal, dan gradien proksimal; dipakai sebagai tulang punggung prasyarat.

  • Stephen Becker dan Mitchell Krock, catatan kelas optimisasi konveks pada commit beku 98ed693, khususnya modul Douglas–Rachford yang telah diterima; dipakai untuk menjaga notasi dan batas nonduplikasi.

  • George J. Minty, Monotone (Nonlinear) Operators in Hilbert Space, Duke Mathematical Journal 29 (1962), 341–346, DOI:10.1215/S0012-7094-62-02933-2.

  • R. Tyrrell Rockafellar, On the Maximal Monotonicity of Subdifferential Mappings, Pacific Journal of Mathematics 33 (1970), 209–216, DOI:10.2140/PJM.1970.33.209.

  • Pierre-Louis Lions dan Bertrand Mercier, Splitting Algorithms for the Sum of Two Nonlinear Operators, SIAM Journal on Numerical Analysis 16 (1979), 964–979, DOI:10.1137/0716071.

Asesmen dan Penutupan Kursus

Asesmen, Laboratorium, dan Proyek Penutup

Bab ini menyediakan lapisan penutup kursus yang dapat dipakai untuk belajar mandiri: peta asesmen kumulatif, diagnostik prasyarat, enam set soal, rubrik pembuktian, ujian tengah dan akhir, dua laboratorium komputasi, serta satu proyek kapstone. Setiap soal mempunyai petunjuk bertahap, jawaban singkat, dan solusi acuan lengkap. Kode laboratorium dan proyek menghasilkan sertifikat deterministik yang dapat diperiksa tanpa perangkat lunak berpemilik.

Seluruh uraian, soal, solusi, rubrik, kode, dan instans sintetik dalam bab ini ditulis mandiri dan tersedia berdasarkan CC BY-SA 4.0. Bab ini tidak menyalin materi O018 tentang program linear atau bilangan bulat, simpleks, sensitivitas LP, ataupun optimisasi jaringan. Pendamping MIT OCW, Royer, dan Penn tetap merupakan karya terpisah dengan hak dan atribusinya sendiri.

Peta asesmen dan kontrak topologi

Bagian ini memetakan asesmen Original-03 tanpa mengulang bunyi soal. Seluruh teks baru pada tranche ini ditulis secara independen dan dilisensikan di bawah CC BY-SA 4.0. Notasi mengikuti spine Habring serta suplemen dan tranche yang sudah diterima, tetapi tidak ada butir donor yang disalin. Materi program linear, integer, simpleks, pemodelan riset operasi, dan wilayah O018 lainnya sengaja tidak dimasukkan.

Kontrak yang dapat diurai mesin adalah sebagai berikut. Setiap butir induk memiliki ID *.problem.NNNN. Setiap subbutir memiliki ID *.prompt.NNNN dan tepat satu pasangan *.hint1.NNNN/*.hint2.NNNN, satu *.answer.NNNN, serta satu *.solution.NNNN. Komentar ORIG03-ASSESSMENT-MAP-ID pada peta ini hanya merupakan rujukan nondeklaratif. Deklarasi otoritatif ORIG03-STABLE-ID dan label LaTeX yang berpadanan berada tepat pada butir soal di modul 01–10. Tujuh label orig03:rubric:proof:0001 sampai orig03:rubric:proof:0007 disediakan sebagai rujukan logis bagi rubrik bukti yang dihimpun oleh agregator.

Lima puluh empat prompt baru

Diagnostik prasyarat: 20 prompt.
  • diag.prompt.0001: norma dasar dan aritmetika vektor.

  • diag.prompt.0002: rantai ketaksamaan norma.

  • diag.prompt.0003: proyeksi pada hiperbidang.

  • diag.prompt.0004: karakterisasi proyeksi konveks.

  • diag.prompt.0005: koordinat kombinasi konveks.

  • diag.prompt.0006: kestabilan kekonveksan terhadap irisan.

  • diag.prompt.0007: gradien dan Hessian kuadratik.

  • diag.prompt.0008: konstanta kuat-konveks dan mulus.

  • diag.prompt.0009: penyangga afin orde pertama.

  • diag.prompt.0010: stasioneritas dan optimalitas global.

  • diag.prompt.0011: subdiferensial nilai mutlak.

  • diag.prompt.0012: ambang lunak skalar.

  • diag.prompt.0013: ekspektasi dan varians diskret.

  • diag.prompt.0014: rata-rata sampel independen.

  • diag.prompt.0015: penyelesaian rekurensi kontraktif.

  • diag.prompt.0016: kompleksitas iterasi geometrik.

  • diag.prompt.0017: kerucut normal dan optimalitas terkendala.

  • diag.prompt.0018: bentuk titik tetap proyeksi.

  • diag.prompt.0019: ortogonalitas dalam Cauchy–Schwarz.

  • diag.prompt.0020: ketaksamaan Young berbobot.

Set soal dasar konveks: 12 prompt.
  • ps01.prompt.0001: maksimum fungsi afin.

  • ps01.prompt.0002: subdiferensial fungsi nilai mutlak.

  • ps01.prompt.0003: minimisasi komposit satu dimensi.

  • ps01.prompt.0004: spektrum kuadratik konveks.

  • ps01.prompt.0005: kontraksi eksak langkah gradien.

  • ps01.prompt.0006: evaluasi numerik Jensen.

  • ps01.prompt.0007: pembuktian Jensen dua titik.

  • ps01.prompt.0008: konjugat kuadratik.

  • ps01.prompt.0009: bikonjugat kuadratik.

  • ps01.prompt.0010: celah Fenchel–Young.

  • ps01.prompt.0011: proyeksi pada kotak.

  • ps01.prompt.0012: bukti pemotongan koordinat.

Set soal metode proksimal: 11 prompt.
  • ps02.prompt.0001: penurunan rumus ambang lunak.

  • ps02.prompt.0002: proks nilai mutlak berdimensi tiga.

  • ps02.prompt.0003: operator iterasi gradien proksimal.

  • ps02.prompt.0004: dua iterasi dan solusi eksak.

  • ps02.prompt.0005: lema penurunan untuk gradien Lipschitz.

  • ps02.prompt.0006: langkah kuadratik tajam.

  • ps02.prompt.0007: bentuk operator maju–mundur.

  • ps02.prompt.0008: titik tetap dan minimizer.

  • ps02.prompt.0009: kontraksi operator maju–mundur.

  • ps02.prompt.0010: resolven operator linear monoton kuat.

  • ps02.prompt.0011: laju titik proksimal.

Set soal dualitas dan KKT: 11 prompt.
  • ps03.prompt.0001: fungsi dual masalah kuadratik berekualitas.

  • ps03.prompt.0002: sistem KKT dan celah nol.

  • ps03.prompt.0003: pengali KKT kendala pertidaksamaan.

  • ps03.prompt.0004: Slater dan dual skalar.

  • ps03.prompt.0005: KKT proyeksi pada hiperbidang afin.

  • ps03.prompt.0006: nilai primal dan dual hiperbidang.

  • ps03.prompt.0007: keunikan dan kecukupan KKT.

  • ps03.prompt.0008: pengali sebagai sensitivitas nilai.

  • ps03.prompt.0009: ekspansi eksak fungsi nilai.

  • ps03.prompt.0010: KKT proyeksi pada bola.

  • ps03.prompt.0011: Slater dan kecukupan pada bola.

Empat belas latihan terselesaikan yang sudah diterima

Daftar berikut hanya memetakan ID dan peran kurikuler; bunyi latihan, petunjuk, dan solusi tetap berada pada modul asalnya.

  • d90.becker.98ed693.b03.exercise.0001: ketakbiasan dalam reduksi varians.

  • d90.becker.98ed693.b03.exercise.0002: identitas varians dan langkah kuadratik.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0001: operator proksimal Lasso.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0002: ketaksamaan satu langkah.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0003: sampling tanpa penggantian.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0004: cermin entropi.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0005: anggaran oracle minibatch.

  • d90.orig.v1.tr01.exercise.0006: varians Prox-SAGA.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0001: VI dan kerucut normal.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0002: maksimalitas.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0003: resolven.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0004: operator skew.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0005: rentang langkah.

  • d90.orig.v1.tr02.exercise.0006: bayangan Douglas–Rachford.

Dengan demikian, peta awal ini merujuk 54 prompt pada modul 01–04 dan 14 latihan terselesaikan yang sudah diterima tanpa mendeklarasikan ulang ID-nya. Asesmen kumulatif lanjutan, rubrik bukti, dua laboratorium komputasi, dan proyek kapstone kini lengkap pada modul 05–13 yang mengikuti peta ini.

Diagnostik prasyarat

Sepuluh butir berikut menguji prasyarat yang dipakai di seluruh buku. Setiap subbutir merupakan prompt tersendiri dengan dua tingkat petunjuk, jawaban ringkas, dan solusi lengkap. Materi ini tidak memuat pemodelan atau algoritma yang menjadi wilayah O018.

  1. Untuk x=(3,4)2x=(3,-4)\in\mathbb{R}^2, hitung x1\lVert x\rVert_1, x2\lVert x\rVert_2, dan x\lVert x\rVert_\infty.

  2. Buktikan bahwa untuk setiap znz\in\mathbb{R}^n, zz2z1nz2.\lVert z\rVert_\infty\leq\lVert z\rVert_2 \leq\lVert z\rVert_1\leq\sqrt n\,\lVert z\rVert_2.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0001). Gunakan langsung tiga definisi norma.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0001). Nilai mutlak koordinatnya adalah 33 dan 44.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0001). x1=7\lVert x\rVert_1=7, x2=5\lVert x\rVert_2=5, dan x=4\lVert x\rVert_\infty=4.

Solusi lengkap (diag.prompt.0001). Definisi memberi x1=|3|+|4|=7\lVert x\rVert_1=|3|+|-4|=7, x2=32+(4)2=5\lVert x\rVert_2=\sqrt{3^2+(-4)^2}=5, dan x=max{3,4}=4\lVert x\rVert_\infty=\max\{3,4\}=4.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0002). Bandingkan setiap koordinat dengan jumlah kuadrat, lalu gunakan Cauchy–Schwarz untuk ketaksamaan terakhir.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0002). Kembangkan (i|zi|)2(\sum_i|z_i|)^2 dan gunakan i|zi|i12izi2\sum_i|z_i|\leq\sqrt{\sum_i1^2}\sqrt{\sum_i z_i^2}.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0002). Rantai tersebut berlaku untuk semua zz; konstanta n\sqrt n tajam pada vektor yang semua koordinat mutlaknya sama.

Solusi lengkap (diag.prompt.0002). Untuk setiap ii, |zi|2j|zj|2|z_i|^2\leq\sum_j|z_j|^2, sehingga zz2\lVert z\rVert_\infty\leq\lVert z\rVert_2. Selanjutnya, i|zi|2(i|zi|)2\sum_i|z_i|^2\leq(\sum_i|z_i|)^2, sehingga z2z1\lVert z\rVert_2\leq\lVert z\rVert_1. Akhirnya Cauchy–Schwarz memberi i|zi|(i1)1/2(i|zi|2)1/2\sum_i|z_i|\leq(\sum_i1)^{1/2}(\sum_i|z_i|^2)^{1/2}. Ini menghasilkan ketaksamaan terakhir. Jika |z1|==|zn|>0|z_1|=\cdots=|z_n|>0, ketaksamaan terakhir menjadi kesamaan. Rubrik bukti: 1.9.1.

  1. Proyeksikan y=(2,1)y=(2,-1) pada hiperbidang H={x2:x1+x2=0}H=\{x\in\mathbb{R}^2:x_1+x_2=0\}.

  2. Untuk himpunan konveks tertutup takkosong CC, buktikan bahwa p=PC(y)p=P_C(y) jika dan hanya jika yp,zp0\langle y-p,z-p\rangle\leq0 untuk setiap zCz\in C.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0003). Gunakan normal a=(1,1)a=(1,1) dan rumus proyeksi pada aTx=0a^Tx=0.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0003). Kurangkan ((aTy)/(aTa))a((a^Ty)/(a^Ta))a dari yy.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0003). PH(y)=(3/2,3/2)P_H(y)=(3/2,-3/2).

Solusi lengkap (diag.prompt.0003). Karena aTy=1a^Ty=1 dan aTa=2a^Ta=2, PH(y)=yaTyaTaa=(2,1)12(1,1)=(32,32).P_H(y)=y-\frac{a^Ty}{a^Ta}a=(2,-1)-\frac12(1,1) =\left(\frac32,-\frac32\right). Jumlah koordinat hasilnya nol, sedangkan selisih yPH(y)y-P_H(y) sejajar normal aa, jadi hasil tersebut memang proyeksi ortogonal.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0004). Untuk arah maju gunakan titik p+t(zp)p+t(z-p); untuk arah balik kembangkan yz2\lVert y-z\rVert^2.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0004). Minimalitas fungsi kuadrat dalam t[0,1]t\in[0,1] memberi turunan kanan taknegatif di t=0t=0.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0004). Kondisi hasil kali dalam tersebut tepat merupakan kondisi optimalitas orde pertama bagi minimisasi jarak kuadrat pada CC.

Solusi lengkap (diag.prompt.0004). Jika p=PC(y)p=P_C(y), maka untuk zCz\in C dan t[0,1]t\in[0,1], kekonveksan memberi p+t(zp)Cp+t(z-p)\in C. Fungsi q(t)=ypt(zp)2q(t)=\lVert y-p-t(z-p)\rVert^2 minimum di t=0t=0, sehingga q(0)=2yp,zp0q'(0)=-2\langle y-p,z-p\rangle\geq0. Sebaliknya, bila kondisi hasil kali dalam berlaku, maka untuk setiap zCz\in C, yz2=yp2+zp22yp,zpyp2.\lVert y-z\rVert^2 =\lVert y-p\rVert^2+\lVert z-p\rVert^2 -2\langle y-p,z-p\rangle\geq\lVert y-p\rVert^2. Jadi pp meminimalkan jarak. Keunikan mengikuti kekonveksan ketat jarak kuadrat. Rubrik bukti: 1.9.4.

  1. Tentukan t[0,1]t\in[0,1] sehingga (1,2)=t(0,1)+(1t)(2,3)(1,2)=t(0,1)+(1-t)(2,3).

  2. Buktikan bahwa irisan sebarang keluarga himpunan konveks adalah konveks.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0005). Samakan koordinat pertama.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0005). Persamaan 2(1t)=12(1-t)=1 memberi kandidat tunggal; periksa koordinat kedua.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0005). t=1/2t=1/2.

Solusi lengkap (diag.prompt.0005). Koordinat pertama memberi 2(1t)=12(1-t)=1, jadi t=1/2t=1/2. Koordinat kedua lalu bernilai t+3(1t)=1/2+3/2=2t+3(1-t)=1/2+3/2=2. Karena 1/2[0,1]1/2\in[0,1], ini kombinasi konveks yang sah.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0006). Ambil dua titik dalam irisan dan uji kombinasi konveksnya pada setiap anggota keluarga.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0006). Keanggotaan pada irisan berarti keanggotaan serentak pada semua himpunan.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0006). Irisan tetap konveks; irisan kosong juga konveks secara vakum.

Solusi lengkap (diag.prompt.0006). Tuliskan C=iICiC=\bigcap_{i\in I}C_i dengan setiap CiC_i konveks. Jika x,yCx,y\in C dan t[0,1]t\in[0,1], maka x,yCix,y\in C_i untuk setiap ii. Karena CiC_i konveks, tx+(1t)yCitx+(1-t)y\in C_i untuk setiap ii, sehingga titik itu berada di CC. Bila CC kosong, implikasi dalam definisi konveks benar secara vakum. Rubrik bukti: 1.9.1.

  1. Untuk f(x)=12xTQx+bTxf(x)=\tfrac12x^TQx+b^Tx dengan Q=4112Q=\begin{smallmatrix}4&1\\1&2\end{smallmatrix} dan b=(1,3)b=(-1,3), hitung f(1,1)\nabla f(1,-1) dan 2f\nabla^2f.

  2. Tentukan konstanta kuat-konveks terbesar μ\mu dan konstanta Lipschitz gradien terkecil LL bagi ff.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0007). Karena QQ simetris, f(x)=Qx+b\nabla f(x)=Qx+b.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0007). Hitung Q(1,1)T=(3,1)TQ(1,-1)^T=(3,-1)^T.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0007). f(1,1)=(2,2)\nabla f(1,-1)=(2,2) dan 2f=Q\nabla^2f=Q.

Solusi lengkap (diag.prompt.0007). Diferensiasi bentuk kuadratik simetris memberi f(x)=Qx+b\nabla f(x)=Qx+b dan 2f=Q\nabla^2f=Q. Pada x=(1,1)x=(1,-1), Qx=(41,12)=(3,1)Qx=(4-1,1-2)=(3,-1), sehingga Qx+b=(2,2)Qx+b=(2,2).

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0008). Cari kedua nilai eigen matriks simetris QQ.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0008). Persamaan karakteristiknya λ26λ+7=0\lambda^2-6\lambda+7=0.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0008). μ=32\mu=3-\sqrt2 dan L=3+2L=3+\sqrt2.

Solusi lengkap (diag.prompt.0008). Nilai eigen QQ adalah akar λ26λ+7=0\lambda^2-6\lambda+7=0, yaitu 3±23\pm\sqrt2. Untuk kuadratik dengan Hessian konstan simetris positif definit, konstanta kuat-konveks terbesar adalah nilai eigen minimum dan konstanta Lipschitz gradien terkecil adalah nilai eigen maksimum. Jadi hasilnya μ=32\mu=3-\sqrt2 dan L=3+2L=3+\sqrt2. Rubrik bukti: 1.9.2.

  1. Untuk f(x)=(x2)2+1f(x)=(x-2)^2+1, tuliskan penyangga afin orde pertama di x0=0x_0=0 dan verifikasi bahwa penyangga itu menyentuh ff di x0x_0.

  2. Buktikan bahwa jika ff konveks dan terdiferensialkan serta f(x*)=0\nabla f(x^*)=0, maka x*x^* adalah minimizer global.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0009). Gunakan f(x0)+f(x0)(xx0)f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0).

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0009). f(0)=5f(0)=5 dan f(0)=4f'(0)=-4.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0009). Penyangga afinnya (x)=54x\ell(x)=5-4x, dan (0)=f(0)=5\ell(0)=f(0)=5.

Solusi lengkap (diag.prompt.0009). Turunan f(x)=2(x2)f'(x)=2(x-2), jadi f(0)=4f'(0)=-4. Karena itu (x)=f(0)+f(0)x=54x\ell(x)=f(0)+f'(0)x=5-4x. Selisihnya f(x)(x)=x20f(x)-\ell(x)=x^2\geq0, dan selisih nol di x=0x=0.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0010). Gunakan ketaksamaan orde pertama bagi fungsi konveks.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0010). Substitusikan gradien nol dalam f(y)f(x*)+f(x*),yx*f(y)\geq f(x^*)+\langle\nabla f(x^*),y-x^*\rangle.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0010). f(y)f(x*)f(y)\geq f(x^*) untuk setiap yy.

Solusi lengkap (diag.prompt.0010). Kekonveksan dan keterdiferensialan memberi, untuk setiap yy, f(y)f(x*)+f(x*),yx*=f(x*).f(y)\geq f(x^*)+\langle\nabla f(x^*),y-x^*\rangle=f(x^*). Jadi tidak ada titik dengan nilai lebih kecil daripada x*x^*. Rubrik bukti: 1.9.1.

  1. Tentukan |x|\partial|x| pada x=2x=-2, x=0x=0, dan x=3x=3.

  2. Hitung prox||(3)\operatorname{prox}_{|\cdot|}(-3).

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0011). Di luar nol gunakan turunan; di nol gunakan definisi subgradien.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0011). Pada nol, gg harus memenuhi |y|gy|y|\geq gy untuk semua yy.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0011). |2|={1}\partial|-2|=\{-1\}, |0|=[1,1]\partial|0|=[-1,1], dan |3|={1}\partial|3|=\{1\}.

Solusi lengkap (diag.prompt.0011). Fungsi |x||x| terdiferensialkan dengan turunan 1-1 untuk x<0x<0 dan 11 untuk x>0x>0. Pada nol, syarat subgradien adalah |y|gy|y|\geq gy untuk setiap yy. Pemilihan y>0y>0 memberi g1g\leq1, sedangkan y<0y<0 memberi g1g\geq-1. Jadi subdiferensial di nol adalah [1,1][-1,1].

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0012). Gunakan rumus ambang lunak dengan ambang satu.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0012). S1(v)=sign(v)max{|v|1,0}S_1(v)=\operatorname{sign}(v)\max\{|v|-1,0\}.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0012). prox||(3)=2\operatorname{prox}_{|\cdot|}(-3)=-2.

Solusi lengkap (diag.prompt.0012). Operator proksimal meminimalkan |x|+12(x+3)2|x|+\tfrac12(x+3)^2. Karena minimizer negatif, turunan pada cabang x<0x<0 adalah 1+x+3=x+2-1+x+3=x+2, yang nol pada x=2x=-2. Titik itu konsisten dengan cabangnya dan memberi hasil yang sama dengan S1(3)=2S_1(-3)=-2.

  1. Peubah acak XX bernilai 1-1 dengan peluang 2/32/3 dan 22 dengan peluang 1/31/3. Hitung 𝔼X\mathbb{E}X dan Var(X)\operatorname{Var}(X).

  2. Jika X1,,XmX_1,\dots,X_m saling independen dan berdistribusi seperti XX, tentukan ekspektasi dan varians Xm=m1i=1mXi\bar X_m=m^{-1}\sum_{i=1}^mX_i.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0013). Hitung momen pertama dan kedua.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0013). 𝔼X2=(2/3)1+(1/3)4\mathbb{E}X^2=(2/3)1+(1/3)4.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0013). 𝔼X=0\mathbb{E}X=0 dan Var(X)=2\operatorname{Var}(X)=2.

Solusi lengkap (diag.prompt.0013). Kita memperoleh 𝔼X=(2/3)(1)+(1/3)2=0\mathbb{E}X=(2/3)(-1)+(1/3)2=0 dan 𝔼X2=(2/3)1+(1/3)4=2\mathbb{E}X^2=(2/3)1+(1/3)4=2. Maka Var(X)=𝔼X2(𝔼X)2=2\operatorname{Var}(X)=\mathbb{E}X^2-(\mathbb{E}X)^2=2.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0014). Gunakan linearitas ekspektasi dan aditivitas varians bagi peubah independen.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0014). Faktor 1/m1/m dikuadratkan ketika menghitung varians.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0014). 𝔼Xm=0\mathbb{E}\bar X_m=0 dan Var(Xm)=2/m\operatorname{Var}(\bar X_m)=2/m.

Solusi lengkap (diag.prompt.0014). Linearitas memberi 𝔼Xm=m1i𝔼Xi=0\mathbb{E}\bar X_m=m^{-1}\sum_i\mathbb{E}X_i=0. Independensi memberi Var(Xm)=1m2i=1mVar(Xi)=1m2(2m)=2m.\operatorname{Var}(\bar X_m)=\frac1{m^2}\sum_{i=1}^m \operatorname{Var}(X_i)=\frac1{m^2}(2m)=\frac2m. Rubrik bukti: 1.9.3.

  1. Selesaikan xk+1=34xk+1x_{k+1}=\tfrac34x_k+1 dengan x0=0x_0=0 dan tentukan titik tetapnya.

  2. Tentukan bilangan bulat terkecil kk yang menjamin |xk4|102|x_k-4|\leq10^{-2}.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0015). Kurangkan titik tetap dari kedua ruas.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0015). Titik tetap memenuhi x=34x+1x=\tfrac34x+1.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0015). Titik tetapnya 44 dan xk=4(1(3/4)k)x_k=4(1-(3/4)^k).

Solusi lengkap (diag.prompt.0015). Persamaan titik tetap memberi x*=4x^*=4. Dengan ek=xk4e_k=x_k-4 diperoleh ek+1=34eke_{k+1}=\tfrac34e_k dan e0=4e_0=-4. Jadi ek=4(3/4)ke_k=-4(3/4)^k dan xk=4(1(3/4)k)x_k=4(1-(3/4)^k).

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0016). Gunakan bentuk tertutup galat dari subbutir sebelumnya.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0016). Selesaikan (3/4)k1/400(3/4)^k\leq1/400 dengan logaritma.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0016). k=21k=21.

Solusi lengkap (diag.prompt.0016). Karena |xk4|=4(3/4)k|x_k-4|=4(3/4)^k, syaratnya adalah (3/4)k1/400(3/4)^k\leq1/400. Karena log(3/4)<0\log(3/4)<0, klog(1/400)log(3/4)20.827.k\geq\frac{\log(1/400)}{\log(3/4)}\approx20.827. Bilangan bulat terkecil yang memenuhi adalah 2121.

  1. Minimalkan f(x)=(x2)2f(x)=(x-2)^2 pada C=[0,1]C=[0,1] dan verifikasi 0f(x*)+NC(x*)0\in f'(x^*)+N_C(x^*) dengan konvensi NC(x)={v:v(yx)0yC}N_C(x)=\{v:v(y-x)\leq0\ \forall y\in C\}.

  2. Verifikasi bahwa untuk setiap γ>0\gamma>0, solusi tersebut memenuhi x*=PC(x*γf(x*))x^*=P_C(x^*-\gamma f'(x^*)).

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0017). Minimizer tak terkendala berada di luar interval.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0017). Pada ujung kanan, N[0,1](1)=[0,)N_{[0,1]}(1)=[0,\infty).

Jawaban ringkas (diag.prompt.0017). x*=1x^*=1, f(1)=2f'(1)=-2, dan 2NC(1)2\in N_C(1).

Solusi lengkap (diag.prompt.0017). Fungsi menurun pada [0,1][0,1], jadi minimumnya tercapai di x*=1x^*=1. Turunannya f(x)=2(x2)f'(x)=2(x-2) memberi f(1)=2f'(1)=-2. Dari definisi, setiap v0v\geq0 memenuhi v(y1)0v(y-1)\leq0 untuk y[0,1]y\in[0,1], sehingga NC(1)=[0,)N_C(1)=[0,\infty). Memilih v=2v=2 menghasilkan 0=2+2f(1)+NC(1)0=-2+2\in f'(1)+N_C(1). Rubrik bukti: 1.9.4.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0018). Substitusikan x*=1x^*=1 dan f(1)=2f'(1)=-2.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0018). Argumen proyeksinya menjadi 1+2γ>11+2\gamma>1.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0018). P[0,1](1+2γ)=1=x*P_{[0,1]}(1+2\gamma)=1=x^*.

Solusi lengkap (diag.prompt.0018). Untuk γ>0\gamma>0, x*γf(x*)=1γ(2)=1+2γx^*-\gamma f'(x^*)=1-\gamma(-2)=1+2\gamma. Proyeksi setiap bilangan lebih besar daripada satu pada [0,1][0,1] adalah satu. Karena itu PC(x*γf(x*))=1=x*P_C(x^*-\gamma f'(x^*))=1=x^*.

  1. Untuk u=(1,2)u=(1,2) dan v=(2,1)v=(2,-1), hitung hasil kali dalam dan kedua normanya, lalu periksa ketaksamaan Cauchy–Schwarz.

  2. Buktikan bahwa untuk a,ba,b\in\mathbb{R} dan η>0\eta>0, 2abηa2+η1b22ab\leq\eta a^2+\eta^{-1}b^2, serta tentukan syarat kesamaan.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0019). Hitung uTvu^Tv sebelum normanya.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0019). Kedua norma sama dengan 5\sqrt5.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0019). u,v=0\langle u,v\rangle=0 dan 050\leq5.

Solusi lengkap (diag.prompt.0019). u,v=12+2(1)=0\langle u,v\rangle=1\cdot2+2\cdot(-1)=0, sedangkan u2=v2=5\lVert u\rVert_2=\lVert v\rVert_2=\sqrt5. Jadi |u,v|=0u2v2=5|\langle u,v\rangle|=0\leq\lVert u\rVert_2\lVert v\rVert_2=5. Vektor-vektor tersebut ortogonal, bukan sejajar, sehingga ketaksamaan tidak menjadi kesamaan pada batas atas yang positif.

Petunjuk tahap 1 (diag.prompt.0020). Mulai dari kuadrat yang taknegatif.

Petunjuk tahap 2 (diag.prompt.0020). Kembangkan (ηab/η)2(\sqrt\eta\,a-b/\sqrt\eta)^2.

Jawaban ringkas (diag.prompt.0020). Ketaksamaan selalu berlaku dan kesamaan terjadi tepat ketika b=ηab=\eta a.

Solusi lengkap (diag.prompt.0020). Karena 0(ηabη)2=ηa22ab+η1b2,0\leq\left(\sqrt\eta\,a-\frac{b}{\sqrt\eta}\right)^2 =\eta a^2-2ab+\eta^{-1}b^2, pemindahan suku memberi ketaksamaan yang diminta. Kuadrat itu nol tepat jika ηa=b/η\sqrt\eta\,a=b/\sqrt\eta, yaitu b=ηab=\eta a. Rubrik bukti: 1.9.1.

Set soal I: dasar konveks

Lima masalah berikut melatih definisi konveksitas, kelengkungan kuadratik, ketaksamaan Jensen, konjugasi Fenchel, dan proyeksi. Setiap subbutir adalah prompt tersendiri dengan dua petunjuk, jawaban ringkas, dan solusi lengkap.

  1. Untuk a1,a2na_1,a_2\in\mathbb{R}^n dan b1,b2b_1,b_2\in\mathbb{R}, buktikan bahwa f(x)=max{a1x+b1,a2x+b2}f(x)=\max\{a_1^\top x+b_1,\,a_2^\top x+b_2\} adalah fungsi konveks.

  2. Tentukan |x|\partial |x| untuk setiap xx\in\mathbb{R}.

  3. Tentukan peminimum dan nilai minimum ϕ(x)=|x|+12(x1)2,\phi(x)=|x|+\frac12(x-1)^2, serta verifikasi syarat optimalitas subgradien di titik tersebut.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0001). Tuliskan kedua fungsi afin sebagai i(x)=aix+bi\ell_i(x)=a_i^\top x+b_i.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0001). Untuk t[0,1]t\in[0,1], batasi setiap ti(x)+(1t)i(y)t\ell_i(x)+(1-t)\ell_i(y) dengan kombinasi maksimum di xx dan yy.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0001). ff konveks karena maksimum berhingga fungsi-fungsi afin adalah konveks.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0001). Ambil x,ynx,y\in\mathbb{R}^n dan t[0,1]t\in[0,1]. Untuk setiap i{1,2}i\in\{1,2\}, i(tx+(1t)y)=ti(x)+(1t)i(y)tf(x)+(1t)f(y).\ell_i(tx+(1-t)y) =t\ell_i(x)+(1-t)\ell_i(y) \leq t f(x)+(1-t)f(y). Mengambil maksimum terhadap ii pada ruas kiri memberi f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y)f(tx+(1-t)y)\leq t f(x)+(1-t)f(y), yakni definisi konveksitas. Rubrik bukti: 1.9.1.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0002). Di luar nol, |x||x| terdiferensialkan.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0002). Di x=0x=0, gunakan definisi g||(0)g\in\partial |\cdot|(0), yaitu |y|gy|y|\geq gy untuk semua yy.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0002). |x|={{1},x<0,[1,1],x=0,{1},x>0.\partial |x|= \begin{cases} \{-1\},&x<0,\\ [-1,1],&x=0,\\ \{1\},&x>0. \end{cases}

Solusi lengkap (ps01.prompt.0002). Untuk x>0x>0 dan x<0x<0, turunan |x||x| masing-masing adalah 11 dan 1-1; subdiferensial fungsi konveks yang terdiferensialkan adalah singleton yang berisi turunannya. Di nol, syarat subgradien adalah |y|gy|y|\geq gy untuk semua yy. Memilih y>0y>0 memberi g1g\leq1, sedangkan y<0y<0 memberi g1g\geq-1. Sebaliknya, setiap g[1,1]g\in[-1,1] memenuhi gy|y|gy\leq|y|, sehingga interval tersebut tepat merupakan subdiferensial di nol.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0003). Gunakan 0ϕ(x)0\in\partial\phi(x).

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0003). Uji titik x=0x=0 dengan ϕ(0)=[1,1]+(01)\partial\phi(0)=[-1,1]+(0-1).

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0003). Peminimum uniknya adalah x=0x^\star=0 dan nilai minimumnya ϕ(x)=1/2\phi(x^\star)=1/2.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0003). Karena suku kuadratik bersifat konveks kuat, ϕ\phi mempunyai paling banyak satu peminimum. Di nol, ϕ(0)=||(0)+(01)=[1,1]1=[2,0],\partial\phi(0)=\partial|\cdot|(0)+(0-1)=[-1,1]-1=[-2,0], yang memuat nol. Maka syarat optimalitas perlu dan cukup untuk fungsi konveks terpenuhi, sehingga x=0x^\star=0. Substitusi memberi ϕ(0)=0+12=12\phi(0)=0+\tfrac12=\tfrac12.

Untuk Q=(1004),f(x)=12xQx,Q=\begin{pmatrix}1&0\\0&4\end{pmatrix}, \qquad f(x)=\frac12x^\top Qx, jawab pertanyaan berikut.

  1. Tentukan konstanta konveksitas kuat terbesar μ\mu dan konstanta Lipschitz terkecil LL untuk gradien ff dalam norma Euclid.

  2. Untuk langkah gradien x+=x14f(x)x^+=x-\tfrac14\nabla f(x), hitung x+x^+ dan buktikan f(x+)916f(x)f(x^+)\leq\tfrac9{16}f(x). Tentukan kapan batas itu tajam.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0004). Gunakan nilai eigen ekstrem Hessian.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0004). Hessian 2f=Q\nabla^2f=Q mempunyai nilai eigen 11 dan 44.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0004). μ=1\mu=1 dan L=4L=4.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0004). Untuk kuadratik simetris, konstanta konveksitas kuat terbesar adalah λmin(Q)\lambda_{\min}(Q) dan konstanta Lipschitz gradien terkecil adalah Q2=λmax(Q)\lVert Q\rVert_2=\lambda_{\max}(Q). Karena spektrum QQ adalah {1,4}\{1,4\}, diperoleh μ=1\mu=1 dan L=4L=4. Keduanya tajam pada masing-masing arah eigen.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0005). Hitung (I14Q)x(I-\tfrac14Q)x.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0005). Bandingkan 12(34x1)2\tfrac12(\tfrac34x_1)^2 dengan 91612(x12+4x22)\tfrac9{16}\,\tfrac12(x_1^2+4x_2^2).

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0005). x+=(34x1,0)x^+=(\tfrac34x_1,0); faktor 9/169/16 tajam tepat pada arah sumbu pertama (selain kasus nol, x2=0x_2=0).

Solusi lengkap (ps01.prompt.0005). Karena f(x)=(x1,4x2)\nabla f(x)=(x_1,4x_2), x+=x14f(x)=(34x1,0).x^+=x-\frac14\nabla f(x)=\left(\frac34x_1,0\right). Jadi f(x+)=12916x1291612(x12+4x22)=916f(x).f(x^+)=\frac12\frac9{16}x_1^2 \leq \frac9{16}\frac12(x_1^2+4x_2^2)=\frac9{16}f(x). Selisih ruas kanan dan kiri adalah 98x22\tfrac98x_2^2, sehingga kesamaan terjadi jika dan hanya jika x2=0x_2=0.

Ambil f(x)=x2f(x)=x^2, titik x1=1x_1=-1, x2=3x_2=3, dan bobot θ1=1/4\theta_1=1/4, θ2=3/4\theta_2=3/4.

  1. Hitung kedua ruas ketaksamaan Jensen untuk data tersebut.

  2. Buktikan ketaksamaan Jensen dua titik langsung dari definisi fungsi konveks.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0006). Hitung dahulu rata-rata berbobot kedua titik.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0006). 14(1)+34(3)=2\tfrac14(-1)+\tfrac34(3)=2.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0006). Ruas kiri adalah 44 dan ruas kanan adalah 77, jadi 474\leq7.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0006). Rata-rata berbobotnya x=2\bar x=2, sehingga f(x)=22=4f(\bar x)=2^2=4. Sementara itu, 14f(1)+34f(3)=14(1)+34(9)=7.\frac14f(-1)+\frac34f(3)=\frac14(1)+\frac34(9)=7. Karena 474\leq7, data tersebut memenuhi ketaksamaan Jensen.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0007). Tuliskan definisi konveksitas dengan parameter t[0,1]t\in[0,1].

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0007). Ganti tt dengan θ1\theta_1 dan 1t1-t dengan θ2\theta_2.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0007). Untuk θ1,θ20\theta_1,\theta_2\geq0 dan θ1+θ2=1\theta_1+\theta_2=1, f(θ1x1+θ2x2)θ1f(x1)+θ2f(x2)f(\theta_1x_1+\theta_2x_2)\leq\theta_1f(x_1)+\theta_2f(x_2).

Solusi lengkap (ps01.prompt.0007). Definisi konveksitas menyatakan bahwa, untuk semua x1,x2x_1,x_2 dan t[0,1]t\in[0,1], f(tx1+(1t)x2)tf(x1)+(1t)f(x2).f(tx_1+(1-t)x_2)\leq t f(x_1)+(1-t)f(x_2). Setiap pasangan bobot nonnegatif dengan jumlah satu dapat ditulis sebagai t=θ1t=\theta_1 dan 1t=θ21-t=\theta_2. Substitusi memberi persis ketaksamaan Jensen dua titik. Rubrik bukti: 1.9.1.

Untuk a>0a>0, definisikan f(x)=a2x2f(x)=\tfrac a2x^2 pada \mathbb{R}.

  1. Hitung konjugat Fenchel f*(y)f^*(y).

  2. Hitung f**(x)f^{**}(x) secara langsung dan bandingkan dengan f(x)f(x).

  3. Nyatakan celah Fenchel–Young f(x)+f*(y)xyf(x)+f^*(y)-xy sebagai kuadrat dan tentukan syarat kesamaan.

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0008). Maksimalkan xya2x2xy-\tfrac a2x^2 terhadap xx.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0008). Titik stasionernya memenuhi yax=0y-ax=0.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0008). f*(y)=y2/(2a)f^*(y)=y^2/(2a).

Solusi lengkap (ps01.prompt.0008). Menurut definisi, f*(y)=supx{xya2x2}.f^*(y)=\sup_x\left\{xy-\frac a2x^2\right\}. Fungsi di dalam supremum cekung kuat terhadap xx; turunannya nol di x=y/ax=y/a. Substitusi menghasilkan y(y/a)a2(y/a)2=y2/(2a)y(y/a)-\tfrac a2(y/a)^2=y^2/(2a).

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0009). Terapkan kembali definisi konjugat pada f*(y)=y2/(2a)f^*(y)=y^2/(2a).

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0009). Maksimum xyy2/(2a)xy-y^2/(2a) tercapai di y=axy=ax.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0009). f**(x)=ax2/2=f(x)f^{**}(x)=ax^2/2=f(x).

Solusi lengkap (ps01.prompt.0009). Kita memperoleh f**(x)=supy{xyy22a}.f^{**}(x)=\sup_y\left\{xy-\frac{y^2}{2a}\right\}. Turunan terhadap yy adalah xy/ax-y/a, jadi pemaksimum uniknya y=axy=ax. Nilai supremumnya ax2ax2/2=ax2/2=f(x)a x^2-a x^2/2=a x^2/2=f(x).

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0010). Samakan penyebut pada a2x2+12ay2xy\tfrac a2x^2+\tfrac1{2a}y^2-xy.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0010). Kenali kuadrat dari axyax-y.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0010). Celahnya (axy)2/(2a)0(ax-y)^2/(2a)\geq0, dan kesamaan berlaku tepat ketika y=axy=ax.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0010). Perhitungan langsung memberi f(x)+f*(y)xy=a2x2+y22axy=(axy)22a.f(x)+f^*(y)-xy =\frac a2x^2+\frac{y^2}{2a}-xy =\frac{(ax-y)^2}{2a}. Karena a>0a>0, nilai ini nonnegatif. Nilainya nol jika dan hanya jika axy=0ax-y=0, yakni y=ax=f(x)y=ax=\nabla f(x). Rubrik bukti: 1.9.2.

Misalkan C=[0,3]3C=[0,3]^3 dan v=(1,2,4)v=(-1,2,4).

  1. Hitung proyeksi Euclid PC(v)P_C(v).

  2. Buktikan bahwa proyeksi pada kotak [,u]n[\ell,u]^n diperoleh dengan memotong setiap koordinat ke interval [,u][\ell,u].

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0011). Potong setiap koordinat ke interval [0,3][0,3].

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0011). 1-1 dipetakan ke 00, 22 tetap, dan 44 dipetakan ke 33.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0011). PC(v)=(0,2,3)P_C(v)=(0,2,3).

Solusi lengkap (ps01.prompt.0011). Meminimumkan 12xv22\tfrac12\lVert x-v\rVert_2^2 pada CC terpisah menjadi tiga masalah skalar. Peminimum 12(xivi)2\tfrac12(x_i-v_i)^2 pada [0,3][0,3] masing-masing adalah 00, 22, dan 33. Karena jumlah mencapai minimum tepat ketika setiap sukunya minimum, PC(v)=(0,2,3)P_C(v)=(0,2,3).

Petunjuk tahap 1 (ps01.prompt.0012). Tuliskan kuadrat jarak sebagai jumlah fungsi satu koordinat.

Petunjuk tahap 2 (ps01.prompt.0012). Peminimum skalar adalah \ell jika vi<v_i<\ell, viv_i jika viu\ell\leq v_i\leq u, dan uu jika vi>uv_i>u.

Jawaban ringkas (ps01.prompt.0012). [P[,u]n(v)]i=min{u,max{,vi}}.[P_{[\ell,u]^n}(v)]_i=\min\{u,\max\{\ell,v_i\}\}.

Solusi lengkap (ps01.prompt.0012). Masalah proyeksi adalah minxiu12i=1n(xivi)2.\min_{\ell\leq x_i\leq u}\frac12\sum_{i=1}^n(x_i-v_i)^2. Daerah layak merupakan hasil kali interval dan objektif merupakan jumlah suku yang masing-masing hanya bergantung pada satu koordinat. Karena itu, setiap koordinat dapat diminimumkan secara independen. Fungsi skalar (svi)2/2(s-v_i)^2/2 berkurang hingga s=vis=v_i lalu meningkat; pembatasan pada [,u][\ell,u] menghasilkan s=min{u,max{,vi}}s=\min\{u,\max\{\ell,v_i\}\}. Menggabungkan semua koordinat membuktikan rumus tersebut. Rubrik bukti: 1.9.4.

Set soal II: metode proksimal

Lima masalah berikut menghubungkan operator proksimal, pemisahan maju–mundur, lemma penurunan, resolven monoton, dan laju titik proksimal.

Untuk λ>0\lambda>0, definisikan Sλ(v)=sign(v)max{|v|λ,0}S_\lambda(v)=\operatorname{sign}(v)\max\{|v|-\lambda,0\}.

  1. Buktikan bahwa proxλ||(v)=Sλ(v)\operatorname{prox}_{\lambda|\cdot|}(v)=S_\lambda(v) untuk setiap vv\in\mathbb{R}.

  2. Dengan penerapan per koordinat, hitung prox(3/4)1(3,1/2,2)\operatorname{prox}_{(3/4)\lVert\cdot\rVert_1}(3,-1/2,-2).

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0001). Tuliskan syarat optimalitas untuk minx{λ|x|+12(xv)2}\min_x\{\lambda|x|+\tfrac12(x-v)^2\}.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0001). Pisahkan kasus x>0x>0, x<0x<0, dan x=0x=0 dalam 0xv+λ|x|0\in x-v+\lambda\partial|x|.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0001). proxλ||(v)={vλ,v>λ,0,|v|λ,v+λ,v<λ,=Sλ(v).\operatorname{prox}_{\lambda|\cdot|}(v)= \begin{cases} v-\lambda,&v>\lambda,\\ 0,&|v|\leq\lambda,\\ v+\lambda,&v<-\lambda, \end{cases} =S_\lambda(v).

Solusi lengkap (ps02.prompt.0001). Objektif bersifat konveks kuat, sehingga syarat 0xv+λ|x|0\in x-v+\lambda\partial|x| menentukan peminimum unik. Jika x>0x>0, syaratnya x=vλx=v-\lambda, konsisten tepat ketika v>λv>\lambda. Jika x<0x<0, diperoleh x=v+λx=v+\lambda, konsisten tepat ketika v<λv<-\lambda. Jika x=0x=0, syarat menjadi vλ[1,1]v\in\lambda[-1,1], ekuivalen dengan |v|λ|v|\leq\lambda. Ketiga kasus itu persis rumus Sλ(v)S_\lambda(v). Rubrik bukti: 1.9.5.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0002). Norma satu dan kuadrat jarak keduanya terpisah menurut koordinat.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0002). Terapkan S3/4S_{3/4} pada ketiga koordinat.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0002). prox(3/4)1(3,1/2,2)=(9/4,0,5/4)\operatorname{prox}_{(3/4)\lVert\cdot\rVert_1}(3,-1/2,-2) =(9/4,0,-5/4).

Solusi lengkap (ps02.prompt.0002). Pemisahan koordinat memberi S3/4(3)=334=94,S3/4(1/2)=0,S3/4(2)=2+34=54.S_{3/4}(3)=3-\frac34=\frac94, \qquad S_{3/4}(-1/2)=0, \qquad S_{3/4}(-2)=-2+\frac34=-\frac54. Menggabungkan ketiga peminimum skalar menghasilkan vektor yang dinyatakan.

Pertimbangkan F(x)=12(x3)2+|x|F(x)=\tfrac12(x-3)^2+|x| dan langkah γ=1/2\gamma=1/2.

  1. Turunkan pemetaan iterasi maju–mundur x+=T(x)x^+=T(x).

  2. Dari x0=0x_0=0, hitung x1x_1 dan x2x_2, lalu tentukan peminimum eksak FF.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0003). Pisahkan bagian mulus g(x)=12(x3)2g(x)=\tfrac12(x-3)^2 dan h(x)=|x|h(x)=|x|.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0003). Gunakan T(x)=proxγh(xγg(x))T(x)=\operatorname{prox}_{\gamma h}(x-\gamma g'(x)).

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0003). T(x)=S1/2((x+3)/2)T(x)=S_{1/2}((x+3)/2).

Solusi lengkap (ps02.prompt.0003). Karena g(x)=x3g'(x)=x-3 dan γ=1/2\gamma=1/2, xγg(x)=x12(x3)=x+32.x-\gamma g'(x)=x-\frac12(x-3)=\frac{x+3}{2}. Langkah mundur adalah operator proksimal prox(1/2)||=S1/2\operatorname{prox}_{(1/2)|\cdot|} =S_{1/2}, sehingga T(x)=S1/2((x+3)/2)T(x)=S_{1/2}((x+3)/2).

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0004). Substitusikan berturut-turut x0x_0 dan x1x_1 ke TT.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0004). Untuk peminimum, selesaikan 0x3+|x|0\in x-3+\partial|x|.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0004). x1=1x_1=1, x2=3/2x_2=3/2, dan peminimum uniknya x=2x^\star=2.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0004). Kita memperoleh x1=S1/2(3/2)=1,x2=S1/2(2)=32.x_1=S_{1/2}(3/2)=1, \qquad x_2=S_{1/2}(2)=\frac32. Syarat optimalitas adalah 0x3+|x|0\in x-3+\partial|x|. Pada cabang x>0x>0, syarat itu menjadi 0=x20=x-2, sehingga x=2x=2, yang konsisten dengan cabang. Cabang x<0x<0 tidak menghasilkan titik yang konsisten, dan di nol interval 3+[1,1]-3+[-1,1] tidak memuat nol. Konveksitas kuat suku kuadratik menjamin keunikan, jadi x=2x^\star=2.

Misalkan f:nf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} terdiferensialkan dan gradiennya LL-Lipschitz.

  1. Buktikan f(y)f(x)+f(x)(yx)+L2yx22.f(y)\leq f(x)+\nabla f(x)^\top(y-x)+\frac L2\lVert y-x\rVert_2^2.

  2. Untuk f(x)=L2x2f(x)=\tfrac L2x^2 pada \mathbb{R}, terapkan langkah gradien x+=xL1f(x)x^+=x-L^{-1}f'(x) dan periksa ketajaman batas penurunan yang dihasilkan.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0005). Integralkan gradien sepanjang ruas dari xx ke yy.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0005). Dengan d=yxd=y-x, batasi [f(x+td)f(x)]d[\nabla f(x+td)-\nabla f(x)]^\top d oleh Ltd22Lt\lVert d\rVert_2^2.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0005). Batas mengikuti teorema dasar kalkulus pada tf(x+t(yx))t\mapsto f(x+t(y-x)) dan integral 01Ltdt=L/2\int_0^1Lt\,dt=L/2.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0005). Tetapkan d=yxd=y-x. Teorema dasar kalkulus memberi f(y)f(x)=01f(x+td)ddt=f(x)d+01[f(x+td)f(x)]ddt.f(y)-f(x)=\int_0^1\nabla f(x+td)^\top d\,dt =\nabla f(x)^\top d+ \int_0^1[\nabla f(x+td)-\nabla f(x)]^\top d\,dt. Cauchy–Schwarz dan sifat Lipschitz menghasilkan [f(x+td)f(x)]df(x+td)f(x)2d2Ltd22.[\nabla f(x+td)-\nabla f(x)]^\top d \leq \lVert\nabla f(x+td)-\nabla f(x)\rVert_2\lVert d\rVert_2 \leq Lt\lVert d\rVert_2^2. Mengintegralkan batas terakhir dari nol sampai satu membuktikan klaim. Rubrik bukti: 1.9.2.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0006). Hitung f(x)=Lxf'(x)=Lx.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0006). Bandingkan hasil dengan f(x+)f(x)(2L)1|f(x)|2f(x^+)\leq f(x)-(2L)^{-1}|f'(x)|^2.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0006). x+=0x^+=0 dan f(x+)=f(x)(2L)1|f(x)|2=0f(x^+)=f(x)-(2L)^{-1}|f'(x)|^2=0; batasnya mencapai kesamaan.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0006). Karena f(x)=Lxf'(x)=Lx, langkah berukuran 1/L1/L memberi x+=xx=0x^+=x-x=0. Lemma penurunan dengan y=xL1f(x)y=x-L^{-1}f'(x) memberi f(x+)f(x)12L|f(x)|2.f(x^+)\leq f(x)-\frac1{2L}|f'(x)|^2. Untuk kuadratik ini, ruas kanan sama dengan L2x212LL2x2=0=f(0)=f(x+)\tfrac L2x^2-\tfrac1{2L}L^2x^2=0=f(0)=f(x^+), sehingga batas tersebut tajam untuk setiap xx.

Pada \mathbb{R}, ambil A=||A=\partial|\cdot|, B(x)=x2B(x)=x-2, dan γ=1/2\gamma=1/2.

  1. Hitung T=JγA(IγB)T=J_{\gamma A}(I-\gamma B) secara eksplisit.

  2. Tentukan titik tetap TT dan hubungkan dengan peminimum |x|+12(x2)2|x|+\tfrac12(x-2)^2.

  3. Buktikan bahwa TT adalah kontraksi dengan faktor paling besar 1/21/2 dan simpulkan keunikan titik tetapnya.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0007). Jγ||=proxγ||J_{\gamma\partial|\cdot|}=\operatorname{prox}_{\gamma|\cdot|}.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0007). Hitung x12(x2)=x/2+1x-\tfrac12(x-2)=x/2+1.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0007). T(x)=S1/2(x/2+1)T(x)=S_{1/2}(x/2+1).

Solusi lengkap (ps02.prompt.0007). Definisi resolven dan identitas resolven subdiferensial memberi T(x)=prox(1/2)||(x12(x2))=S1/2(x2+1).T(x)=\operatorname{prox}_{(1/2)|\cdot|} \left(x-\frac12(x-2)\right) =S_{1/2}\left(\frac x2+1\right).

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0008). Coba x=1x=1 dalam rumus eksplisit TT.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0008). Bandingkan persamaan titik tetap dengan 0x2+|x|0\in x-2+\partial|x|.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0008). Titik tetapnya x=1x^\star=1, yang juga merupakan peminimum unik objektif.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0008). Rumus eksplisit memberi T(1)=S1/2(3/2)=1T(1)=S_{1/2}(3/2)=1. Selain itu, x=T(x)x=T(x) ekuivalen dengan x=JγA(xγBx)x=J_{\gamma A}(x-\gamma Bx), lalu dengan 0Ax+Bx=|x|+x20\in Ax+Bx=\partial|x|+x-2. Ini persis syarat optimalitas untuk |x|+12(x2)2|x|+\tfrac12(x-2)^2. Pada x=1>0x=1>0, syaratnya 0=1+120=1+1-2. Suku kuadratik konveks kuat, jadi peminimum tersebut unik.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0009). Operator proksimal bersifat non-ekspansif.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0009). Bandingkan argumen ambang lunak untuk xx dan yy.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0009). |T(x)T(y)|12|xy||T(x)-T(y)|\leq\tfrac12|x-y|; karena itu titik tetapnya tunggal.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0009). Non-ekspansivitas S1/2S_{1/2} menghasilkan |T(x)T(y)||(x2+1)(y2+1)|=12|xy|.|T(x)-T(y)| \leq\left|\left(\frac x2+1\right)- \left(\frac y2+1\right)\right| =\frac12|x-y|. Jadi TT adalah kontraksi. Jika xx dan yy keduanya titik tetap, maka |xy|=|T(x)T(y)||xy|/2|x-y|=|T(x)-T(y)|\leq|x-y|/2, yang memaksa x=yx=y. Rubrik bukti: 1.9.5.

Ambil A(x)=mxA(x)=mx dengan m>0m>0 dan parameter γ>0\gamma>0.

  1. Hitung resolven JγA=(I+γA)1J_{\gamma A}=(I+\gamma A)^{-1}.

  2. Untuk iterasi titik proksimal xk+1=JγA(xk)x_{k+1}=J_{\gamma A}(x_k), turunkan rumus eksak xkx_k dan lajunya menuju nol.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0010). Tetapkan z=JγA(x)z=J_{\gamma A}(x).

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0010). Selesaikan x=z+γmzx=z+\gamma mz terhadap zz.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0010). JγA(x)=x/(1+γm)J_{\gamma A}(x)=x/(1+\gamma m).

Solusi lengkap (ps02.prompt.0010). Definisi resolven menyatakan z=JγA(x)z=J_{\gamma A}(x) jika dan hanya jika xz+γA(z)x\in z+\gamma A(z). Karena A(z)=mzA(z)=mz, ini menjadi x=(1+γm)zx=(1+\gamma m)z. Faktor 1+γm1+\gamma m positif, sehingga z=x/(1+γm)z=x/(1+\gamma m). Rubrik bukti: 1.9.5.

Petunjuk tahap 1 (ps02.prompt.0011). Substitusikan rumus resolven ke relasi iterasi.

Petunjuk tahap 2 (ps02.prompt.0011). Ulangi perkalian oleh konstanta (1+γm)1(1+\gamma m)^{-1}.

Jawaban ringkas (ps02.prompt.0011). xk=(1+γm)kx0x_k=(1+\gamma m)^{-k}x_0 dan |xk|=(1+γm)k|x0|0|x_k|=(1+\gamma m)^{-k}|x_0|\to0 secara linear.

Solusi lengkap (ps02.prompt.0011). Rumus resolven memberi xk+1=(1+γm)1xkx_{k+1}=(1+\gamma m)^{-1}x_k. Induksi terhadap kk menghasilkan xk=(1+γm)kx0x_k=(1+\gamma m)^{-k}x_0. Karena m,γ>0m,\gamma>0, faktor q=(1+γm)1q=(1+\gamma m)^{-1} berada dalam (0,1)(0,1). Maka |xk|=qk|x0||x_k|=q^k|x_0| dan konvergensinya menuju nol bersifat linear dengan faktor eksak qq.

Set soal III: dualitas dan kondisi KKT

Lima masalah berikut melatih pembentukan fungsi dual, kondisi Karush–Kuhn–Tucker (KKT), kondisi Slater, dan sensitivitas nilai optimal.

Pertimbangkan masalah minx12x2dengan kendalax=1.\min_{x\in\mathbb{R}}\ \frac12x^2 \qquad\text{dengan kendala}\qquad x=1.

  1. Turunkan fungsi dual, lalu tentukan pengali dan nilai dual optimal.

  2. Verifikasi semua kondisi KKT dan kesenjangan dualitas nol.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0001). Gunakan Lagrangian L(x,λ)=12x2+λ(x1)L(x,\lambda)=\tfrac12x^2+\lambda(x-1).

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0001). Infimum terhadap xx tercapai di x=λx=-\lambda.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0001). g(λ)=12λ2λg(\lambda)=-\tfrac12\lambda^2-\lambda, λ=1\lambda^\star=-1, dan d=1/2d^\star=1/2.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0001). Meminimumkan Lagrangian terhadap xx memberi syarat x+λ=0x+\lambda=0, jadi x=λx=-\lambda. Karena Lagrangian konveks kuat terhadap xx, titik ini memberi infimum dan g(λ)=L(λ,λ)=12λ2λ.g(\lambda)=L(-\lambda,\lambda) =-\frac12\lambda^2-\lambda. Masalah dual memaksimalkan kuadratik cekung ini pada λ\lambda\in\mathbb{R}. Persamaan g(λ)=λ1=0g'(\lambda)=-\lambda-1=0 memberi λ=1\lambda^\star=-1 dan g(1)=1/2g(-1)=1/2. Rubrik bukti: 1.9.6.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0002). KKT untuk kendala persamaan terdiri atas kelayakan primal dan stasioneritas.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0002). Substitusikan x=1x^\star=1 dan λ=1\lambda^\star=-1.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0002). x=1x^\star=1 layak dan x+λ=0x^\star+\lambda^\star=0; nilai primal dan dual sama-sama 1/21/2.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0002). Kelayakan primal memberi x1=0x^\star-1=0. Stasioneritas memberi xL(x,λ)=x+λ=11=0\nabla_xL(x^\star,\lambda^\star)=x^\star+\lambda^\star=1-1=0. Tidak ada syarat tanda atau kelengkapan komplementer untuk pengali persamaan. Nilai primal adalah p=12(1)2=1/2p^\star=\tfrac12(1)^2=1/2, sedangkan hasil dual pada subbutir sebelumnya memberi d=1/2d^\star=1/2. Jadi pd=0p^\star-d^\star=0. Rubrik bukti: 1.9.6.

Pertimbangkan minx(x2)2dengan kendalax1.\min_{x\in\mathbb{R}}\ (x-2)^2 \qquad\text{dengan kendala}\qquad x\leq1.

  1. Gunakan kondisi KKT untuk menentukan solusi primal dan pengali optimal.

  2. Verifikasi kondisi Slater, turunkan fungsi dual, dan periksa nilainya di pengali optimal.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0003). Tuliskan kendala sebagai x10x-1\leq0 dengan pengali λ0\lambda\geq0.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0003). Gunakan stasioneritas 2(x2)+λ=02(x-2)+\lambda=0 dan kelengkapan komplementer λ(x1)=0\lambda(x-1)=0.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0003). x=1x^\star=1 dan λ=2\lambda^\star=2.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0003). Jika kendala tidak aktif, kelengkapan komplementer memberi λ=0\lambda=0 dan stasioneritas memberi x=2x=2, yang tidak layak. Maka kendala aktif: x=1x^\star=1. Stasioneritas kemudian memberi 2(12)+λ=02(1-2)+\lambda^\star=0, sehingga λ=20\lambda^\star=2\geq0. Kelayakan primal, kelayakan dual, stasioneritas, dan kelengkapan komplementer semuanya terpenuhi. Karena masalah konveks, titik KKT ini optimal. Rubrik bukti: 1.9.6.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0004). x=0x=0 adalah kandidat titik Slater.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0004). Dalam L(x,λ)=(x2)2+λ(x1)L(x,\lambda)=(x-2)^2+\lambda(x-1), infimum terhadap xx tercapai di x=2λ/2x=2-\lambda/2.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0004). Slater berlaku; g(λ)=λλ2/4g(\lambda)=\lambda-\lambda^2/4 untuk λ0\lambda\geq0, dan g(2)=1=pg(2)=1=p^\star.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0004). Titik x=0x=0 memenuhi x1=1<0x-1=-1<0, jadi kondisi Slater berlaku. Untuk λ0\lambda\geq0, peminimum Lagrangian terhadap xx adalah x(λ)=2λ/2x(\lambda)=2-\lambda/2. Substitusi memberi g(λ)=(λ2)2+λ(1λ2)=λλ24.g(\lambda)=\left(-\frac\lambda2\right)^2 +\lambda\left(1-\frac\lambda2\right) =\lambda-\frac{\lambda^2}{4}. Kuadratik cekung ini maksimum di λ=2\lambda=2 dengan nilai 11. Nilai primal di x=1x^\star=1 juga (12)2=1(1-2)^2=1, sesuai dualitas kuat yang dijamin Slater. Rubrik bukti: 1.9.6.

Ambil an\{0}a\in\mathbb{R}^n\setminus\{0\} dan bb\in\mathbb{R}, lalu pertimbangkan minx12x22dengan kendalaax=b.\min_x\ \frac12\lVert x\rVert_2^2 \qquad\text{dengan kendala}\qquad a^\top x=b.

  1. Selesaikan sistem KKT untuk memperoleh xx^\star dan λ\lambda^\star.

  2. Turunkan fungsi dual dan verifikasi bahwa nilai primal dan dual optimal sama.

  3. Buktikan bahwa solusi primal itu unik dan bahwa kondisi KKT cukup untuk optimalitas pada masalah ini.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0005). Gunakan L(x,λ)=12x22+λ(axb)L(x,\lambda)=\tfrac12\lVert x\rVert_2^2+ \lambda(a^\top x-b).

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0005). Stasioneritas memberi x=λax=-\lambda a; substitusikan ke kendala.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0005). x=ba22a,λ=ba22.x^\star=\frac{b}{\lVert a\rVert_2^2}a, \qquad \lambda^\star=-\frac{b}{\lVert a\rVert_2^2}.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0005). Stasioneritas adalah x+λa=0x+\lambda a=0, sehingga x=λax=-\lambda a. Kelayakan persamaan lalu memberi λa22=b-\lambda\lVert a\rVert_2^2=b. Karena a0a\neq0, penyebutnya positif dan λ=ba22,x=λa=ba22a.\lambda^\star=-\frac{b}{\lVert a\rVert_2^2}, \qquad x^\star=-\lambda^\star a= \frac{b}{\lVert a\rVert_2^2}a. Rubrik bukti: 1.9.6.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0006). Ambil infimum Lagrangian di x=λax=-\lambda a.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0006). Maksimalkan kuadratik cekung yang diperoleh terhadap λ\lambda\in\mathbb{R}.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0006). g(λ)=12λ2a22λbg(\lambda)=-\tfrac12\lambda^2\lVert a\rVert_2^2-\lambda b dan p=d=b2/(2a22)p^\star=d^\star=b^2/(2\lVert a\rVert_2^2).

Solusi lengkap (ps03.prompt.0006). Substitusi x=λax=-\lambda a ke Lagrangian memberi g(λ)=12λ2a22λb.g(\lambda)=-\frac12\lambda^2\lVert a\rVert_2^2-\lambda b. Turunannya nol pada λ=b/a22\lambda^\star=-b/\lVert a\rVert_2^2, dan substitusi memberi d=b2/(2a22)d^\star=b^2/(2\lVert a\rVert_2^2). Di sisi primal, 12x22=12b2a22a24=b22a22=d.\frac12\lVert x^\star\rVert_2^2 =\frac12\frac{b^2\lVert a\rVert_2^2}{\lVert a\rVert_2^4} =\frac{b^2}{2\lVert a\rVert_2^2}=d^\star.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0007). Gunakan konveksitas kuat objektif untuk keunikan.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0007). Gunakan ketaksamaan konveksitas orde pertama pada titik KKT dan hilangkan suku linear dengan kelayakan persamaan.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0007). Objektif konveks kuat pada himpunan layak konveks, sehingga peminimum tunggal; stasioneritas dan kelayakan KKT menjamin optimalitas global.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0007). Fungsi f(x)=12x22f(x)=\tfrac12\lVert x\rVert_2^2 bersifat konveks kuat dengan parameter satu. Pembatasannya pada hiperbidang afin tetap konveks kuat, jadi tidak mungkin mempunyai dua peminimum berbeda. Untuk kecukupan, ambil pasangan KKT (x,λ)(x^\star,\lambda^\star). Stasioneritas memberi f(x)=λa\nabla f(x^\star)=-\lambda^\star a. Untuk setiap xx layak, konveksitas memberi f(x)f(x)+f(x)(xx)=f(x)λa(xx)=f(x),f(x)\geq f(x^\star)+\nabla f(x^\star)^\top(x-x^\star) =f(x^\star)-\lambda^\star a^\top(x-x^\star)=f(x^\star), karena ax=ax=ba^\top x=a^\top x^\star=b. Maka titik KKT optimal global, dan konveksitas kuat membuatnya unik. Rubrik bukti: 1.9.6.

Definisikan fungsi nilai p(u)=minx{12x2:x=u}.p(u)=\min_x\left\{\frac12x^2:x=u\right\}.

  1. Hitung p(u)p(u), pengali optimal λ(u)\lambda^\star(u) untuk kendala xu=0x-u=0, dan hubungan antara p(u)p'(u) dan pengali itu.

  2. Untuk perturbasi δ\delta, turunkan ekspansi eksak p(u+δ)p(u+\delta) dan identifikasi suku sensitivitas orde pertama serta galat orde keduanya.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0008). Kendala langsung memaksa x=ux=u.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0008). Stasioneritas Lagrangian 12x2+λ(xu)\tfrac12x^2+\lambda(x-u) adalah x+λ=0x+\lambda=0.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0008). p(u)=u2/2p(u)=u^2/2, λ(u)=u\lambda^\star(u)=-u, dan p(u)=u=λ(u)p'(u)=u=-\lambda^\star(u).

Solusi lengkap (ps03.prompt.0008). Satu-satunya titik layak adalah x(u)=ux^\star(u)=u, sehingga p(u)=u2/2p(u)=u^2/2. Stasioneritas memberi x(u)+λ(u)=0x^\star(u)+\lambda^\star(u)=0, jadi λ(u)=u\lambda^\star(u)=-u. Mendiferensialkan fungsi nilai menghasilkan p(u)=u=λ(u)p'(u)=u=-\lambda^\star(u). Tanda minus muncul karena kendala ditulis sebagai xu=0x-u=0. Rubrik bukti: 1.9.7.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0009). Kembangkan (u+δ)2/2(u+\delta)^2/2.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0009). Ganti uu pada suku linear dengan λ(u)-\lambda^\star(u).

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0009). p(u+δ)=p(u)λ(u)δ+δ2/2p(u+\delta)=p(u)-\lambda^\star(u)\delta+\delta^2/2.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0009). Perhitungan eksak memberi p(u+δ)=12(u+δ)2=12u2+uδ+12δ2=p(u)λ(u)δ+12δ2.p(u+\delta)=\frac12(u+\delta)^2 =\frac12u^2+u\delta+\frac12\delta^2 =p(u)-\lambda^\star(u)\delta+\frac12\delta^2. Jadi λ(u)δ-\lambda^\star(u)\delta adalah perubahan linear yang diprediksi pengali, sedangkan δ2/2\delta^2/2 adalah galat orde kedua yang eksak. Rubrik bukti: 1.9.7.

Ambil cnc\in\mathbb{R}^n dan rr dengan 0<r<c20<r<\lVert c\rVert_2. Pertimbangkan minx12xc22dengan kendalax2r.\min_x\ \frac12\lVert x-c\rVert_2^2 \qquad\text{dengan kendala}\qquad \lVert x\rVert_2\leq r. Gunakan representasi mulus g(x)=12(x22r2)0g(x)=\tfrac12(\lVert x\rVert_2^2-r^2)\leq0.

  1. Selesaikan kondisi KKT untuk menentukan xx^\star dan pengali μ\mu^\star.

  2. Verifikasi kondisi Slater dan buktikan bahwa pasangan KKT tersebut merupakan solusi primal-dual global yang unik pada sisi primal.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0010). Stasioneritas adalah xc+μx=0x-c+\mu x=0.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0010). Karena cc berada di luar bola, kendala optimal aktif; gunakan x=c/(1+μ)x=c/(1+\mu) dan x2=r\lVert x\rVert_2=r.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0010). x=rcc2,μ=c2r1>0.x^\star=r\frac{c}{\lVert c\rVert_2}, \qquad \mu^\star=\frac{\lVert c\rVert_2}{r}-1>0.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0010). Lagrangiannya L(x,μ)=12xc22+μ2(x22r2)L(x,\mu)=\tfrac12\lVert x-c\rVert_2^2+ \tfrac\mu2(\lVert x\rVert_2^2-r^2) dengan μ0\mu\geq0. Stasioneritas memberi (1+μ)x=c(1+\mu)x=c. Jika μ=0\mu=0, maka x=cx=c, yang tidak layak karena c2>r\lVert c\rVert_2>r. Jadi μ>0\mu^\star>0, dan kelengkapan komplementer memaksa x2=r\lVert x^\star\rVert_2=r. Dari x=c/(1+μ)x^\star=c/(1+\mu^\star) diperoleh 1+μ=c2/r1+\mu^\star=\lVert c\rVert_2/r, sehingga rumus yang dinyatakan berlaku. Rubrik bukti: 1.9.6.

Petunjuk tahap 1 (ps03.prompt.0011). x=0x=0 memenuhi kendala secara ketat.

Petunjuk tahap 2 (ps03.prompt.0011). Gabungkan Slater, konveksitas masalah, dan konveksitas kuat objektif.

Jawaban ringkas (ps03.prompt.0011). Slater berlaku di x=0x=0; KKT perlu dan cukup, dualitas kuat berlaku, dan xx^\star unik karena objektif konveks kuat.

Solusi lengkap (ps03.prompt.0011). Karena r>0r>0, titik x=0x=0 memenuhi g(0)=r2/2<0g(0)=-r^2/2<0, jadi kondisi Slater berlaku. Objektif dan fungsi kendala konveks serta terdiferensialkan; karena itu, di bawah Slater, kondisi KKT bersifat perlu dan cukup dan tidak ada kesenjangan dualitas. Pasangan pada subbutir sebelumnya memenuhi kelayakan primal, μ0\mu^\star\geq0, stasioneritas, dan kelengkapan komplementer, sehingga optimal global. Objektif 12xc22\tfrac12\lVert x-c\rVert_2^2 bersifat konveks kuat, maka peminimum primal pada himpunan bola yang konveks adalah unik. Rubrik bukti: 1.9.6.

Set soal IV: metode stokastik

Misalkan F(x)=1Ni=1Nfi(x),gi=fi(x),F(x)=\frac1N\sum_{i=1}^N f_i(x), \qquad g_i=\nabla f_i(x), dan, bersyarat pada informasi masa lalu \mathcal F, indeks II dipilih dengan peluang pi>0p_i>0, ipi=1\sum_i p_i=1. Peluang dan titik xx boleh \mathcal F-terukur.

  1. Hitung bias penduga naif H=gIH=g_I terhadap F(x)\nabla F(x).

  2. Tunjukkan bahwa G=gI/(NpI)G=g_I/(Np_I) tidak bias secara bersyarat.

  3. Turunkan rumus eksak untuk 𝔼[GF(x)2]\mathbb E[\lVert G-\nabla F(x)\rVert^2\mid\mathcal F].

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tulis ekspektasi bersyarat sebagai jumlah atas semua nilai yang mungkin bagi II. Tahap 2. Setelah memperoleh ketakbiasan, gunakan identitas 𝔼Gm2=𝔼G2m2\mathbb E\lVert G-m\rVert^2=\mathbb E\lVert G\rVert^2-\lVert m\rVert^2 dengan m=𝔼[G]m=\mathbb E[G\mid\mathcal F].

Jawaban singkat.

Penduga naif mempunyai bias ipigiN1igi\sum_i p_i g_i-N^{-1}\sum_i g_i. Sementara itu, 𝔼[G]=F(x),𝔼[GF(x)2]=1N2i=1Ngi2piF(x)2.\mathbb E[G\mid\mathcal F]=\nabla F(x),\qquad \mathbb E[\lVert G-\nabla F(x)\rVert^2\mid\mathcal F] =\frac1{N^2}\sum_{i=1}^N\frac{\lVert g_i\rVert^2}{p_i} -\lVert\nabla F(x)\rVert^2.

Solusi lengkap.

Karena pip_i dan gig_i diketahui setelah mengondisikan pada \mathcal F, 𝔼[H]=ipigi.\mathbb E[H\mid\mathcal F]=\sum_i p_i g_i. Jadi selisihnya dari gradien penuh adalah i(pi1/N)gi\sum_i(p_i-1/N)g_i, yang umumnya tidak nol. Untuk penduga terkoreksi, 𝔼[G]=ipigiNpi=1Nigi=F(x).\mathbb E[G\mid\mathcal F] =\sum_i p_i\frac{g_i}{Np_i} =\frac1N\sum_i g_i=\nabla F(x). Selanjutnya, 𝔼[G2]=ipigi2N2pi2=1N2igi2pi.\mathbb E[\lVert G\rVert^2\mid\mathcal F] =\sum_i p_i\frac{\lVert g_i\rVert^2}{N^2p_i^2} =\frac1{N^2}\sum_i\frac{\lVert g_i\rVert^2}{p_i}. Mengurangkan kuadrat norma mean bersyarat memberi rumus varians yang dinyatakan pada jawaban singkat. Positivitas setiap pip_i penting agar koreksi terdefinisi dan tidak menghilangkan komponen mana pun.

Pada himpunan konveks tertutup CC, misalkan hh terdiferensialkan dan konveks, rr konveks proper semikontinu-bawah, dan x+argminxC{ηg,x+ηr(x)+Dh(x,xk)},η>0.x^+\in\arg\min_{x\in C} \left\{\eta\langle g,x\rangle+\eta r(x)+D_h(x,x_k)\right\}, \qquad \eta>0. Buktikan bahwa untuk setiap uCu\in C, η(g,x+u+r(x+)r(u))Dh(u,xk)Dh(u,x+)Dh(x+,xk).\eta\bigl(\langle g,x^+-u\rangle+r(x^+)-r(u)\bigr) \le D_h(u,x_k)-D_h(u,x^+)-D_h(x^+,x_k). Nyatakan dengan jelas kondisi optimalitas yang Anda gunakan.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Pilih s+r(x+)s^+\in\partial r(x^+) dan n+NC(x+)n^+\in N_C(x^+) dari inklusi optimalitas. Tahap 2. Gunakan ketaksamaan subgradien dan identitas tiga titik untuk divergensi Bregman.

Jawaban singkat.

Inklusi 0ηg+ηr(x+)+h(x+)h(xk)+NC(x+)0\in\eta g+\eta\partial r(x^+)+\nabla h(x^+)-\nabla h(x_k)+N_C(x^+) bersama dengan h(x+)h(xk),ux+=Dh(u,xk)Dh(u,x+)Dh(x+,xk)\langle\nabla h(x^+)-\nabla h(x_k),u-x^+\rangle =D_h(u,x_k)-D_h(u,x^+)-D_h(x^+,x_k) memberikan hasilnya.

Solusi lengkap.

Ambil s+r(x+)s^+\in\partial r(x^+) dan n+NC(x+)n^+\in N_C(x^+) sehingga 0=ηg+ηs++h(x+)h(xk)+n+.0=\eta g+\eta s^++\nabla h(x^+)-\nabla h(x_k)+n^+. Karena uCu\in C, definisi kerucut normal memberi n+,ux+0\langle n^+,u-x^+\rangle\le0. Mengalikan persamaan optimalitas dengan x+ux^+-u menghasilkan ηg,x+u+ηs+,x+uh(x+)h(xk),ux+.\eta\langle g,x^+-u\rangle+\eta\langle s^+,x^+-u\rangle \le \langle\nabla h(x^+)-\nabla h(x_k),u-x^+\rangle. Ketaksamaan subgradien menyatakan s+,x+ur(x+)r(u)\langle s^+,x^+-u\rangle\ge r(x^+)-r(u). Ruas kanan sama dengan selisih tiga divergensi Bregman pada jawaban singkat. Substitusi kedua fakta itu menyelesaikan bukti.

Pertimbangkan f(x)=x2/2f(x)=x^2/2 dan orakel stokastik G(x,ξ)=x+ξG(x,\xi)=x+\xi, dengan 𝔼ξ=0\mathbb E\xi=0 dan 𝔼ξ2=σ2<\mathbb E\xi^2=\sigma^2<\infty.

  1. Verifikasi ketakbiasan dan varians bersyarat yang seragam.

  2. Tunjukkan bahwa tidak ada batas seragam untuk 𝔼|G(x,ξ)|2\mathbb E|G(x,\xi)|^2 ketika xx menjelajahi \mathbb R.

  3. Buktikan arah sebaliknya: jika 𝔼G(x,ξ)2M2\mathbb E\lVert G(x,\xi)\rVert^2\le M^2 dan GG tidak bias, maka f(x)M\lVert\nabla f(x)\rVert\le M.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Pisahkan GfG-\nabla f dari GG sendiri. Tahap 2. Untuk arah sebaliknya, terapkan ketaksamaan Jensen pada fungsi kuadrat norma.

Jawaban singkat.

GG tidak bias dan 𝔼|Gf(x)|2=σ2\mathbb E|G-\nabla f(x)|^2=\sigma^2, tetapi 𝔼|G|2=x2+σ2\mathbb E|G|^2=x^2+\sigma^2, sehingga tak terbatas seragam. Sebaliknya, f(x)2=𝔼G2𝔼G2M2\lVert\nabla f(x)\rVert^2=\lVert\mathbb E G\rVert^2 \le\mathbb E\lVert G\rVert^2\le M^2.

Solusi lengkap.

Gradien eksak ialah f(x)=x\nabla f(x)=x. Karena mean ξ\xi nol, 𝔼[G(x,ξ)]=x\mathbb E[G(x,\xi)]=x, sedangkan G(x,ξ)f(x)=ξG(x,\xi)-\nabla f(x)=\xi. Jadi varians galat orakel selalu σ2\sigma^2, tidak bergantung pada xx. Namun, 𝔼|x+ξ|2=x2+2x𝔼ξ+𝔼ξ2=x2+σ2,\mathbb E|x+\xi|^2=x^2+2x\mathbb E\xi+\mathbb E\xi^2 =x^2+\sigma^2, yang menuju tak hingga saat |x||x|\to\infty. Dengan demikian, asumsi varians terbatas tidak boleh diam-diam diganti dengan asumsi momen kedua seragam. Untuk arah terakhir, ketakbiasan dan konveksitas kuadrat norma memberi f(x)2=𝔼G(x,ξ)2𝔼G(x,ξ)2M2.\lVert\nabla f(x)\rVert^2 =\lVert\mathbb E G(x,\xi)\rVert^2 \le\mathbb E\lVert G(x,\xi)\rVert^2\le M^2.

Dalam satu epok, ambil permutasi seragam π\pi dari {1,,N}\{1,\ldots,N\}. Setelah indeks π1,,πt\pi_1,\ldots,\pi_t terungkap, misalkan RtR_t adalah himpunan indeks yang tersisa dan t\mathcal F_t memuat riwayat tersebut.

  1. Untuk titik beku xx, hitung 𝔼[fπt+1(x)t]\mathbb E[\nabla f_{\pi_{t+1}}(x)\mid\mathcal F_t].

  2. Tunjukkan bahwa jumlah gradien selama satu epok pada titik beku tepat sama dengan NF(x)N\nabla F(x).

  3. Jelaskan mengapa bukti SGD yang mengandalkan selisih martingal tidak dapat langsung dipakai ketika titik iterasi berubah di dalam epok.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Bersyarat pada riwayat, indeks berikutnya seragam hanya pada RtR_t, bukan pada seluruh himpunan indeks. Tahap 2. Bedakan identitas kombinatorial pada satu titik xx dari jumlah fπt(xt)\nabla f_{\pi_t}(x_t) pada titik-titik yang berlainan.

Jawaban singkat.

𝔼[fπt+1(x)t]=1|Rt|iRtfi(x),t=1Nfπt(x)=NF(x).\mathbb E[\nabla f_{\pi_{t+1}}(x)\mid\mathcal F_t] =\frac1{|R_t|}\sum_{i\in R_t}\nabla f_i(x), \qquad \sum_{t=1}^N\nabla f_{\pi_t}(x)=N\nabla F(x). Mean bersyarat pertama umumnya bukan gradien penuh; bila xtx_t berubah, identitas jumlah pada titik beku juga tidak berlaku.

Solusi lengkap.

Setelah tt indeks terungkap, setiap elemen RtR_t mempunyai peluang 1/|Rt|1/|R_t| untuk muncul berikutnya. Karena itu mean bersyarat adalah rata-rata gradien komponen yang tersisa. Rata-rata ini hanya sama dengan gradien penuh dalam keadaan khusus. Di sisi lain, sebuah permutasi memuat setiap indeks tepat sekali, sehingga untuk satu titik yang sama, t=1Nfπt(x)=i=1Nfi(x)=NF(x).\sum_{t=1}^N\nabla f_{\pi_t}(x)=\sum_{i=1}^N\nabla f_i(x)=N\nabla F(x). Pada algoritme sebenarnya, suku ke-tt dinilai di xtx_t, sehingga jumlahnya adalah tfπt(xt)\sum_t\nabla f_{\pi_t}(x_t) dan tidak lagi dapat diganti oleh jumlah gradien pada satu titik. Selain itu, galat gradien terhadap gradien penuh umumnya mempunyai mean bersyarat tak nol. Maka argumen selisih martingal SGD dengan pengambilan sampel independen memerlukan analisis baru, bukan sekadar penggantian notasi.

Misalkan barisan tak negatif memenuhi ak+1(1μη)ak+η2σ2,0<μη<1.a_{k+1}\le(1-\mu\eta)a_k+\eta^2\sigma^2, \qquad 0<\mu\eta<1. Turunkan batas tertutup untuk aka_k, hitung limit superiornya, dan jelaskan apa yang harus diubah agar jaminan konvergensi eksak tetap masuk akal ketika σ>0\sigma>0.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tetapkan q=1μηq=1-\mu\eta dan buka rekursi sebagai deret geometrik. Tahap 2. Bandingkan faktor kontraksi qkq^k dengan suku paksa yang tidak lenyap.

Jawaban singkat.

Dengan q=1μηq=1-\mu\eta, akqka0+ησ2μ(1qk),limsupkakησ2μ.a_k\le q^k a_0+\frac{\eta\sigma^2}{\mu}(1-q^k), \qquad \limsup_{k\to\infty}a_k\le\frac{\eta\sigma^2}{\mu}. Langkah tetap dengan derau persisten hanya menjamin lingkungan solusi; langkah menurun atau reduksi varians diperlukan untuk meniadakan lantai ini.

Solusi lengkap.

Iterasi rekursi memberikan akqka0+η2σ2j=0k1qj=qka0+η2σ21qk1q.a_k\le q^k a_0+\eta^2\sigma^2\sum_{j=0}^{k-1}q^j =q^k a_0+\eta^2\sigma^2\frac{1-q^k}{1-q}. Karena 1q=μη1-q=\mu\eta, suku kedua sama dengan ησ2(1qk)/μ\eta\sigma^2(1-q^k)/\mu. Hipotesis memastikan 0<q<10<q<1, sehingga qk0q^k\to0 dan batas limit superior mengikuti. Bila η\eta tetap dan σ>0\sigma>0, suku paksa tidak hilang; rekursi itu sendiri tidak dapat membuktikan ak0a_k\to0. Jadwal langkah yang menuju nol dengan syarat penjumlahan yang sesuai, atau penduga dengan varians yang ikut menuju nol, mengubah rekursi sehingga lantai galat dapat lenyap.

Set soal V: operator monoton dan metode pemisahan

Pada ruang Euklides berdimensi hingga, misalkan ff proper, semikontinu-bawah, dan μ\mu-konveks kuat dengan μ>0\mu>0. Misalkan gg konveks dan terdiferensialkan pada seluruh ruang, dengan g\nabla g bersifat β\beta-kokersif. Buktikan bahwa f+gf+g mempunyai tepat satu peminimum xx^\star dan bahwa, untuk setiap γ>0\gamma>0, x=Jγf(xγg(x)).x^\star=J_{\gamma\partial f} \bigl(x^\star-\gamma\nabla g(x^\star)\bigr). Jelaskan peran aturan penjumlahan subdiferensial dalam argumen Anda.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gunakan batas bawah kuadratik dari konveksitas kuat untuk mendapatkan kekompakan himpunan sublevel. Tahap 2. Ubah inklusi 0f(x)+g(x)0\in\partial f(x^\star)+\nabla g(x^\star) menjadi definisi resolven.

Jawaban singkat.

f+gf+g proper, semikontinu-bawah, koersif, dan μ\mu-konveks kuat; jadi ia mempunyai peminimum tunggal. Kontinuitas gg memberi (f+g)=f+g\partial(f+g)=\partial f+\nabla g, dan syarat Fermat ekuivalen dengan xγg(x)x+γf(x),x^\star-\gamma\nabla g(x^\star) \in x^\star+\gamma\partial f(x^\star), yakni persamaan titik tetap yang diminta.

Solusi lengkap.

Konveksitas kuat memberikan batas bawah kuadratik bagi ff di sekitar suatu titik dalam domainnya. Fungsi konveks terdiferensialkan gg mempunyai batas bawah afin dari bidang singgungnya. Karena itu suku kuadratik mendominasi batas afin ketika norma membesar, sehingga f+gf+g koersif. Fungsi tersebut proper dan semikontinu-bawah, maka dalam dimensi hingga ia mencapai minimum. Jumlahnya tetap μ\mu-konveks kuat, sehingga dua peminimum yang berbeda tidak mungkin ada.

Karena gg bernilai hingga dan kontinu di seluruh ruang, aturan penjumlahan berlaku tanpa syarat kualifikasi tambahan: (f+g)(x)=f(x)+g(x).\partial(f+g)(x)=\partial f(x)+\nabla g(x). Syarat Fermat untuk peminimum tunggal adalah g(x)f(x)-\nabla g(x^\star)\in\partial f(x^\star). Mengalikan dengan γ\gamma dan menata ulang memberi xγg(x)(I+γf)(x)x^\star-\gamma\nabla g(x^\star)\in(I+\gamma\partial f)(x^\star). Menerapkan invers Jγf=(I+γf)1J_{\gamma\partial f}=(I+\gamma\partial f)^{-1} memberi persamaan titik tetap.

Misalkan AA maksimal monoton dan BB bersifat β\beta-kokersif. Untuk 0<γ<2β0<\gamma<2\beta, definisikan T=JγA(IγB),xk+1=Txk,T=J_{\gamma A}(I-\gamma B), \qquad x_{k+1}=Tx_k, dan anggap FixT\operatorname{Fix}T\ne\varnothing.

  1. Tunjukkan bahwa IγBI-\gamma B bersifat γ/(2β)\gamma/(2\beta)-averaged dan JγAJ_{\gamma A} bersifat 1/21/2-averaged.

  2. Gunakan aturan komposisi untuk memperoleh α=2β/(4βγ)\alpha=2\beta/(4\beta-\gamma) sebagai parameter averaged bagi TT.

  3. Untuk zFixTz\in\operatorname{Fix}T, turunkan ketaksamaan penurunan dan batas untuk residu terkecil di antara kk iterasi pertama.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tulis IγB=(1a)I+a(I2βB)I-\gamma B=(1-a)I+a(I-2\beta B) dengan a=γ/(2β)a=\gamma/(2\beta). Tahap 2. Terapkan karakterisasi kuadrat operator averaged, lalu jumlahkan ketaksamaan itu dari 00 sampai k1k-1.

Jawaban singkat.

Komposisi kedua operator tersebut bersifat α\alpha-averaged dengan α=2β/(4βγ)\alpha=2\beta/(4\beta-\gamma). Untuk setiap titik tetap zz, Txkz2xkz21αα(IT)xk2,\lVert Tx_k-z\rVert^2 \le\lVert x_k-z\rVert^2 -\frac{1-\alpha}{\alpha}\lVert(I-T)x_k\rVert^2, dan karenanya min0j<k(IT)xjα(1α)kx0z.\min_{0\le j<k}\lVert(I-T)x_j\rVert \le\sqrt{\frac{\alpha}{(1-\alpha)k}}\,\lVert x_0-z\rVert.

Solusi lengkap.

Kokersivitas BB menyiratkan bahwa I2βBI-2\beta B non-ekspansif. Dengan a=γ/(2β)(0,1)a=\gamma/(2\beta)\in(0,1), IγB=(1a)I+a(I2βB),I-\gamma B=(1-a)I+a(I-2\beta B), sehingga operator maju bersifat aa-averaged. Resolven operator maksimal monoton firmly non-ekspansif, yang sama dengan 1/21/2-averaged. Jika dua operator masing-masing a1a_1- dan a2a_2-averaged, komposisinya dapat diambil averaged dengan parameter a1+a22a1a21a1a2.\frac{a_1+a_2-2a_1a_2}{1-a_1a_2}. Memasukkan a1=1/2a_1=1/2 dan a2=γ/(2β)a_2=\gamma/(2\beta) menghasilkan α=2β/(4βγ)(0,1)\alpha=2\beta/(4\beta-\gamma)\in(0,1).

Karakterisasi kuadrat operator α\alpha-averaged memberi, karena Tz=zTz=z, Txkz2xkz21αα(IT)xk2.\lVert Tx_k-z\rVert^2 \le\lVert x_k-z\rVert^2 -\frac{1-\alpha}{\alpha}\lVert(I-T)x_k\rVert^2. Penjumlahan meneleskopkan ruas norma dan menunjukkan j=0k1(IT)xj2α1αx0z2.\sum_{j=0}^{k-1}\lVert(I-T)x_j\rVert^2 \le\frac{\alpha}{1-\alpha}\lVert x_0-z\rVert^2. Nilai minimum tidak melebihi rata-rata; mengambil akar memberikan batas pada jawaban singkat dan menunjukkan residu terbaik berorde O(k1/2)O(k^{-1/2}).

Untuk a>0a>0, pertimbangkan operator linear Ba=(1aa1)pada 2.B_a=\begin{pmatrix}1&-a\\a&1\end{pmatrix} \quad\text{pada }\mathbb R^2. Buktikan bahwa BaB_a bersifat 11-monoton kuat, mempunyai konstanta Lipschitz 1+a2\sqrt{1+a^2}, dan bersifat 1/(1+a2)1/(1+a^2)-kokersif. Tentukan secara eksak kapan iterasi maju xk+1=(IγBa)xkx_{k+1}=(I-\gamma B_a)x_k merupakan kontraksi. Gunakan hasil itu untuk mendiagnosis klaim bahwa monotoni kuat saja selalu membolehkan semua 0<γ<20<\gamma<2.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Untuk d2d\in\mathbb R^2, hitung Bad,d\langle B_ad,d\rangle dan Bad2\lVert B_ad\rVert^2. Tahap 2. Hitung norma faktor (1γ)IγaJ(1-\gamma)I-\gamma aJ, dengan JJ rotasi seperempat putaran.

Jawaban singkat.

Untuk setiap dd, Bad,d=d2\langle B_ad,d\rangle=\lVert d\rVert^2 dan Bad2=(1+a2)d2\lVert B_ad\rVert^2=(1+a^2)\lVert d\rVert^2. Faktor kontraksinya adalah ρ(γ)=(1γ)2+a2γ2,\rho(\gamma)=\sqrt{(1-\gamma)^2+a^2\gamma^2}, sehingga kontraksi terjadi tepat ketika 0<γ<2/(1+a2)0<\gamma<2/(1+a^2).

Solusi lengkap.

Bagian simetris BaB_a adalah identitas. Karena itu Bad,d=d2\langle B_ad,d\rangle=\lVert d\rVert^2, yang membuktikan monotoni kuat dengan modulus satu. Perkalian langsung memberi BaBa=(1+a2)IB_a^\top B_a=(1+a^2)I; jadi norma operatornya 1+a2\sqrt{1+a^2} dan Bad,d=11+a2Bad2,\langle B_ad,d\rangle =\frac1{1+a^2}\lVert B_ad\rVert^2, yakni kokersivitas yang dinyatakan.

Matriks iterasi mempunyai bagian skalar 1γ1-\gamma dan bagian rotasi γaJ-\gamma aJ, sehingga norma setiap vektor dikalikan dengan ρ(γ)\rho(\gamma). Syarat ρ(γ)<1\rho(\gamma)<1 ekuivalen dengan (1γ)2+a2γ2<10<γ<21+a2.(1-\gamma)^2+a^2\gamma^2<1 \quad\Longleftrightarrow\quad 0<\gamma<\frac{2}{1+a^2}. Jadi interval (0,2)(0,2) tidak seragam terhadap bagian antisimetri. Monotoni kuat tanpa kontrol Lipschitz atau kokersivitas tidak cukup untuk membenarkan klaim langkah tersebut.

Pada \mathbb R, minimalkan f(x)+g(x)f(x)+g(x) dengan f(x)=|x|f(x)=|x| dan g=δ[1,)g=\delta_{[1,\infty)}. Ambil γ=1\gamma=1 dan konvensi T=12(I+RgRf),Rq=2proxqI.T=\tfrac12(I+R_gR_f), \qquad R_q=2\operatorname{prox}_q-I. Tentukan peminimum, lalu verifikasi secara langsung bahwa z=2z^\star=2 adalah titik tetap TT dan bahwa bayangannya proxf(z)\operatorname{prox}_f(z^\star) sama dengan peminimum.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gunakan penyusutan lunak untuk prox||\operatorname{prox}_{|\cdot|} dan proyeksi untuk proxδ[1,)\operatorname{prox}_{\delta_{[1,\infty)}}. Tahap 2. Ikuti urutan 2Rf(2)RgRf(2)2\mapsto R_f(2)\mapsto R_gR_f(2) tanpa menukar konvensi komposisi.

Jawaban singkat.

Peminimumnya x=1x^\star=1. Selain itu, proxf(2)=1\operatorname{prox}_f(2)=1, Rf(2)=0R_f(2)=0, proxg(0)=1\operatorname{prox}_g(0)=1, dan Rg(0)=2R_g(0)=2. Maka T(2)=2T(2)=2 dan bayangan proxf(2)=x\operatorname{prox}_f(2)=x^\star.

Solusi lengkap.

Kendala efektif gg memaksa x1x\ge1. Pada himpunan itu |x|=x|x|=x, sehingga nilai terkecil dicapai secara tunggal di x=1x^\star=1. Proksimal ff dengan parameter satu adalah penyusutan lunak; akibatnya proxf(2)=21=1\operatorname{prox}_f(2)=2-1=1 dan Rf(2)=2(1)2=0R_f(2)=2(1)-2=0. Proksimal indikator adalah proyeksi ke [1,)[1,\infty), sehingga proxg(0)=1\operatorname{prox}_g(0)=1 dan Rg(0)=2(1)0=2R_g(0)=2(1)-0=2. Oleh sebab itu T(2)=12(2+2)=2.T(2)=\tfrac12(2+2)=2. Variabel titik tetap zz^\star tidak harus sama dengan solusi primal; pada konvensi ini solusi diperoleh dari bayangan proksimalnya, yang memang bernilai satu.

Misalkan AA maksimal monoton pada ruang Euklides berdimensi hingga, zerA\operatorname{zer}A\ne\varnothing, dan γ>0\gamma>0. Pertimbangkan xk+1=JγAxk+ek,k=0ek<.x_{k+1}=J_{\gamma A}x_k+e_k, \qquad \sum_{k=0}^{\infty}\lVert e_k\rVert<\infty. Buktikan bahwa (xk)(x_k) konvergen ke suatu titik di zerA\operatorname{zer}A. Dalam bukti Anda, tunjukkan juga bahwa xkJγAxk0x_k-J_{\gamma A}x_k\to0.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tetapkan yk=JγAxky_k=J_{\gamma A}x_k dan gunakan firm non-ekspansivitas terhadap zzerAz\in\operatorname{zer}A. Tahap 2. Jumlahkan galat kuadrat yang dihasilkan; lalu gunakan ketertutupan graf operator maksimal monoton pada subsekuens konvergen.

Jawaban singkat.

Firm non-ekspansivitas memberi ykz2+xkyk2xkz2.\lVert y_k-z\rVert^2+\lVert x_k-y_k\rVert^2 \le\lVert x_k-z\rVert^2. Perturbasi yang normanya dapat dijumlahkan membuat barisan kuasi-Fejér, dan penjumlahan ketaksamaan memperlihatkan kxkyk2<\sum_k\lVert x_k-y_k\rVert^2<\infty. Semua titik klaster adalah nol AA; dalam dimensi hingga sifat kuasi-Fejér lalu memberi konvergensi seluruh barisan.

Solusi lengkap.

Ambil zzerAz\in\operatorname{zer}A. Maka JγAz=zJ_{\gamma A}z=z. Dengan yk=JγAxky_k=J_{\gamma A}x_k, firm non-ekspansivitas menghasilkan ykz2+xkyk2xkz2.\lVert y_k-z\rVert^2+\lVert x_k-y_k\rVert^2 \le\lVert x_k-z\rVert^2. \tag{1} Karena xk+1=yk+ekx_{k+1}=y_k+e_k, xk+1zxkz+ek\lVert x_{k+1}-z\rVert\le\lVert x_k-z\rVert+\lVert e_k\rVert. Jumlah norma galat hingga, sehingga (xk)(x_k) dan (yk)(y_k) terbatas dan jarak terhadap setiap nol mempunyai limit.

Mengembangkan kuadrat yk+ekz2\lVert y_k+e_k-z\rVert^2 lalu memakai (1) memberi xk+1z2xkz2xkyk2+2ykz,ek+ek2.\lVert x_{k+1}-z\rVert^2 \le\lVert x_k-z\rVert^2-\lVert x_k-y_k\rVert^2 +2\langle y_k-z,e_k\rangle+\lVert e_k\rVert^2. Karena (yk)(y_k) terbatas dan galat dapat dijumlahkan, kedua suku galat di ruas kanan dapat dijumlahkan. Penjumlahan ketaksamaan menunjukkan kxkyk2<\sum_k\lVert x_k-y_k\rVert^2<\infty, jadi residu itu menuju nol.

Setiap subsekuens konvergen xkjxx_{k_j}\to\bar x juga memenuhi ykjxy_{k_j}\to\bar x. Dari definisi resolven, (xkjykj)/γAykj(x_{k_j}-y_{k_j})/\gamma\in Ay_{k_j}, dan ruas kiri menuju nol. Graf operator maksimal monoton tertutup, sehingga 0Ax0\in A\bar x. Jadi semua titik klaster berada di zerA\operatorname{zer}A. Barisan terbatas dalam dimensi hingga mempunyai titik klaster, dan sifat kuasi-Fejér beserta fakta bahwa semua titik klasternya adalah nol memaksa seluruh barisan konvergen ke satu nol AA.

Set soal VI: transportasi optimal dan sintesis

Misalkan Π(α,β)\Pi(\alpha,\beta) adalah himpunan kopling probabilitas dan dua fungsi biaya memenuhi cc̃ε\lVert c-\widetilde c\rVert_\infty\le\varepsilon. Tuliskan vv dan ṽ\widetilde v untuk nilai optimal dengan biaya cc dan c̃\widetilde c.

  1. Buktikan |vṽ|ε|v-\widetilde v|\le\varepsilon.

  2. Jika PcP_c optimal untuk biaya cc, buktikan bahwa ia paling jauh 2ε2\varepsilon-suboptimal untuk biaya c̃\widetilde c.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Integralkan batas titik demi titik terhadap sembarang kopling probabilitas. Tahap 2. Sisipkan nilai vv di antara biaya c̃\widetilde c pada PcP_c dan nilai ṽ\widetilde v.

Jawaban singkat.

Untuk setiap PΠ(α,β)P\in\Pi(\alpha,\beta), |c,Pc̃,P|ε|\langle c,P\rangle-\langle\widetilde c,P\rangle|\le\varepsilon. Mengambil infimum memberi |vṽ|ε|v-\widetilde v|\le\varepsilon, dan c̃,Pcṽ2ε.\langle\widetilde c,P_c\rangle-\widetilde v\le2\varepsilon.

Solusi lengkap.

Karena massa total setiap kopling adalah satu, |(cc̃)dP||cc̃|dPε.\left|\int(c-\widetilde c)\,dP\right| \le\int|c-\widetilde c|\,dP\le\varepsilon. Jadi c̃,Pc,P+ε\langle\widetilde c,P\rangle\le\langle c,P\rangle+\varepsilon untuk setiap PP. Mengambil infimum memberi ṽv+ε\widetilde v\le v+\varepsilon. Menukar peran kedua biaya memberi vṽ+εv\le\widetilde v+\varepsilon, sehingga batas nilai optimal terbukti. Selanjutnya, c̃,Pcṽc,Pc+ε(vε)=2ε,\langle\widetilde c,P_c\rangle-\widetilde v \le\langle c,P_c\rangle+\varepsilon-(v-\varepsilon) =2\varepsilon, karena c,Pc=v\langle c,P_c\rangle=v. Batas kedua memuat dua sumber galat: evaluasi rencana dan pergeseran nilai optimal.

Pada \mathbb R, ambil biaya c(x,y)=12(yx)2c(x,y)=\tfrac12(y-x)^2. Misalkan α\alpha mempunyai momen pertama hingga dan β=(xx+a)#α\beta=(x\mapsto x+a)_\#\alpha untuk suatu aa\in\mathbb R.

  1. Hitung biaya kopling deterministik y=x+ay=x+a.

  2. Buktikan bahwa ϕ(x)=ax\phi(x)=-ax dan ψ(y)=aya2/2\psi(y)=ay-a^2/2 layak untuk masalah dual Kantorovich.

  3. Gunakan kesetaraan primal–dual untuk menyimpulkan optimalitas kopling translasi tersebut.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Kurangi ϕ(x)+ψ(y)\phi(x)+\psi(y) dari c(x,y)c(x,y) dan lengkapi kuadrat dalam yxy-x. Tahap 2. Gunakan identitas ydβ(y)=(x+a)dα(x)\int y\,d\beta(y)=\int(x+a)\,d\alpha(x).

Jawaban singkat.

Biaya kopling translasi adalah a2/2a^2/2, dan c(x,y)ϕ(x)ψ(y)=12(yxa)20.c(x,y)-\phi(x)-\psi(y)=\tfrac12(y-x-a)^2\ge0. Nilai dual kedua potensial juga a2/2a^2/2, sehingga kopling dan potensial itu optimal.

Solusi lengkap.

Pada kopling y=x+ay=x+a, biaya bernilai konstan 12a2\tfrac12a^2, sehingga integralnya a2/2a^2/2. Untuk semua x,yx,y, 12(yx)2(ax+aya2/2)=12(yxa)20.\tfrac12(y-x)^2-\bigl(-ax+ay-a^2/2\bigr) =\tfrac12(y-x-a)^2\ge0. Maka ϕ(x)+ψ(y)c(x,y)\phi(x)+\psi(y)\le c(x,y), dengan kesetaraan tepat pada graf translasi. Momen pertama menjamin integral potensial terdefinisi, dan ϕdα+ψdβ=axdα+a(x+a)dαa2/2=a2/2.\int\phi\,d\alpha+\int\psi\,d\beta =-a\int x\,d\alpha +a\int(x+a)\,d\alpha-a^2/2 =a^2/2. Dual lemah menyatakan bahwa nilai ini tidak dapat melebihi biaya kopling mana pun. Karena kopling translasi mencapai nilai yang sama, celah dualnya nol dan kopling itu optimal.

Untuk marginal positif ana\in\mathbb R^n dan bmb\in\mathbb R^m, definisikan Kij=exp(Cij/ε),P=diag(u)Kdiag(v),K_{ij}=\exp(-C_{ij}/\varepsilon), \qquad P=\operatorname{diag}(u)K\operatorname{diag}(v), dengan ui,vj>0u_i,v_j>0. Tuliskan ρi=logui\rho_i=\log u_i dan τj=logvj\tau_j=\log v_j.

  1. Turunkan pembaruan baris dan kolom dalam bentuk log-sum-exp.

  2. Buktikan bahwa utuu\mapsto tu, vv/tv\mapsto v/t tidak mengubah PP.

  3. Jelaskan secara matematis mengapa pemusatan ρ\rho dan τ\tau dengan pergeseran yang berlawanan dapat mencegah luapan numerik tanpa mengubah kopling.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Selesaikan persamaan P𝟏=aP\mathbf{1}=a terhadap setiap uiu_i, lalu ambil logaritma; lakukan hal yang sama untuk kolom. Tahap 2. Tambahkan konstanta ss pada semua ρi\rho_i dan kurangkan ss dari semua τj\tau_j.

Jawaban singkat.

ρi=logaiLSEj(Cij/ε+τj),τj=logbjLSEi(Cij/ε+ρi).\rho_i=\log a_i-\operatorname{LSE}_j(-C_{ij}/\varepsilon+\tau_j), \quad \tau_j=\log b_j-\operatorname{LSE}_i(-C_{ij}/\varepsilon+\rho_i). Transformasi (ρ,τ)(ρ+s𝟏,τs𝟏)(\rho,\tau)\mapsto(\rho+s\mathbf{1},\tau-s\mathbf{1}) membiarkan setiap jumlah ρi+τj\rho_i+\tau_j tetap, sehingga PP tidak berubah.

Solusi lengkap.

Kendala baris adalah uijKijvj=aiu_i\sum_jK_{ij}v_j=a_i, jadi ρi=logailogjexp(Cij/ε+τj).\rho_i=\log a_i- \log\sum_j\exp(-C_{ij}/\varepsilon+\tau_j). Logaritma jumlah eksponensial adalah fungsi LSE\operatorname{LSE}. Dengan cara yang sama, kendala kolom menghasilkan rumus untuk τj\tau_j pada jawaban singkat. Jika t>0t>0, maka diag(tu)Kdiag(v/t)=diag(u)Kdiag(v).\operatorname{diag}(tu)K\operatorname{diag}(v/t) =\operatorname{diag}(u)K\operatorname{diag}(v). Dalam koordinat log, ini tepat sama dengan menambahkan s=logts=\log t pada ρ\rho dan mengurangkannya dari τ\tau. Karena entri PP bergantung pada ρi+τjCij/ε\rho_i+\tau_j-C_{ij}/\varepsilon, semua entri tetap sama. Kita boleh memilih ss, misalnya untuk memusatkan rentang nilai log, agar eksponensial perantara tidak terlalu besar atau kecil. Operasi itu mengubah representasi, bukan kopling atau marginalnya.

Pada tabel kopling probabilitas berukuran n×mn\times m, definisikan H(P)=ijPijlogPijH(P)=-\sum_{ij}P_{ij}\log P_{ij} dengan konvensi 0log0=00\log0=0. Misalkan PP^\star meminimalkan C,P\langle C,P\rangle dan PεP_\varepsilon meminimalkan C,PεH(P)\langle C,P\rangle-\varepsilon H(P) pada himpunan kopling yang sama. Buktikan 0C,PεC,Pεlog(nm).0\le\langle C,P_\varepsilon\rangle- \langle C,P^\star\rangle \le\varepsilon\log(nm).

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Bandingkan nilai objektif teratur pada PεP_\varepsilon dan PP^\star. Tahap 2. Gunakan 0H(P)log(nm)0\le H(P)\le\log(nm) untuk setiap distribusi pada nmnm sel.

Jawaban singkat.

Optimalitas kedua rencana memberi batas bawah nol dan C,PεlangleC,Pε(H(Pε)H(P))εlog(nm).\langle C,P_\varepsilon\rangle-langle C,P^\star\rangle \le\varepsilon\bigl(H(P_\varepsilon)-H(P^\star)\bigr) \le\varepsilon\log(nm).

Solusi lengkap.

Karena PP^\star optimal untuk biaya tanpa regularisasi, C,PεC,P\langle C,P_\varepsilon\rangle\ge\langle C,P^\star\rangle. Di sisi lain, optimalitas PεP_\varepsilon untuk objektif teratur menyatakan C,PεεH(Pε)C,PεH(P).\langle C,P_\varepsilon\rangle-\varepsilon H(P_\varepsilon) \le\langle C,P^\star\rangle-\varepsilon H(P^\star). Menata ulang memberi ketaksamaan pertama pada jawaban singkat. Entropi distribusi dengan paling banyak nmnm atom berada di antara nol dan log(nm)\log(nm). Maka H(Pε)H(P)log(nm)H(P_\varepsilon)-H(P^\star)\le\log(nm), yang menyelesaikan batas atas. Batas ini mengukur bias biaya tak teratur, bukan jarak antara kedua rencana.

Pertimbangkan fungsi dual D(f,g)=af+bgεi,jexp(fi+gjCijε),D(f,g)=a^\top f+b^\top g -\varepsilon\sum_{i,j} \exp\!\left(\frac{f_i+g_j-C_{ij}}{\varepsilon}\right), dan tuliskan Pij=exp((fi+gjCij)/ε)P_{ij}=\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon).

  1. Hitung gradien terhadap ff dan gg.

  2. Hitung bentuk kuadratik Hessian pada arah (s,t)(s,t) dan buktikan kekonkafan.

  3. Identifikasi arah gauge. Jika graf bipartit dukungan positif PP terhubung, buktikan bahwa hanya arah gauge yang mempunyai kelengkungan nol.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Diferensiasikan satu eksponensial dan kelompokkan jumlah baris serta kolom. Tahap 2. Bentuk kuadratik dapat ditulis sebagai jumlah berbobot dari (si+tj)2(s_i+t_j)^2.

Jawaban singkat.

fD=aP𝟏,gD=bP𝟏,\nabla_fD=a-P\mathbf{1}, \qquad \nabla_gD=b-P^\top\mathbf{1}, dan (st)2D(st)=1εi,jPij(si+tj)20.\begin{pmatrix}s\\t\end{pmatrix}^{\!\top} \nabla^2D \begin{pmatrix}s\\t\end{pmatrix} =-\frac1\varepsilon\sum_{i,j}P_{ij}(s_i+t_j)^2\le0. Arah (s,t)=(c𝟏,c𝟏)(s,t)=(c\mathbf{1},-c\mathbf{1}) adalah arah gauge; bila dukungan terhubung, semua arah nol berbentuk demikian.

Solusi lengkap.

Diferensiasi terhadap fif_i menghasilkan aijPija_i-\sum_jP_{ij}, sedangkan diferensiasi terhadap gjg_j menghasilkan bjiPijb_j-\sum_iP_{ij}. Diferensiasi kedua pada lintasan (f+θs,g+θt)(f+\theta s,g+\theta t) memberi d2dθ2D(f+θs,g+θt)|θ=0=1εi,jPij(si+tj)2.\left.\frac{d^2}{d\theta^2}D(f+\theta s,g+\theta t)\right|_{\theta=0} =-\frac1\varepsilon\sum_{i,j}P_{ij}(s_i+t_j)^2. Bobotnya nonnegatif, sehingga DD konkaf. Bentuk kuadratik nol tepat bila si+tj=0s_i+t_j=0 pada setiap sisi dukungan positif. Pada graf bipartit yang terhubung, kondisi ini memaksa semua sis_i sama dengan satu konstanta cc dan semua tj=ct_j=-c. Itulah transformasi (f,g)(f+c𝟏,gc𝟏)(f,g)\mapsto(f+c\mathbf{1},g-c\mathbf{1}) yang tidak mengubah PP. Jadi dual bersifat konkaf ketat setelah satu gauge dipatok, meskipun tidak konkaf ketat pada representasi yang belum dinormalisasi.

Rubrik analitik untuk pembuktian

Setiap kriteria di bawah dinilai dengan skala yang sama: 0 tidak ada atau tidak sah; 1 fragmen relevan dengan galat mayor; 2 arah sebagian benar tetapi masih ada celah substantif; 3 benar dengan satu kekurangan minor yang tidak mengubah kesimpulan; dan 4 lengkap, tepat, dan seluruh dependensi logis dinyatakan. Setiap rubrik mempunyai empat kriteria, jadi skor maksimumnya adalah 16. Keanggunan gaya tidak boleh menutupi galat matematika, dan notasi alternatif yang ekuivalen harus dinilai berdasarkan isinya.

Rubrik proof.0001: hipotesis, tipe, dan kuantor

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Menyatakan objek, ruang, domain, dan kodomain secara konsisten.

  2. Menempatkan semua kuantor dan dependensi parameter pada lingkup yang benar, termasuk perbedaan antara pernyataan titik demi titik dan seragam.

  3. Menggunakan tepat hipotesis ketertutupan, konveksitas, keterbatasan, atau keterukuran pada langkah yang memerlukannya.

  4. Menutup semua kasus tepi dan memastikan bahwa kesimpulan mempunyai tipe logis yang sama dengan klaim semula.

Kegagalan umum.

Menganggap domain sama dengan seluruh ruang; menukar “untuk setiap” dengan “terdapat”; memakai konstanta yang diam-diam bergantung pada iterasi; membagi dengan besaran yang belum dibuktikan positif; atau menyatakan limit tanpa menentukan topologi.

Rubrik proof.0002: keberadaan dan argumen topologis

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Mengidentifikasi himpunan sublevel atau barisan peminimum yang tepat dan membuktikan keterbatasan atau kekompakannya.

  2. Menggunakan semikontinuitas-bawah, ketertutupan, atau kekompakan dengan arah ketaksamaan dan topologi yang benar.

  3. Membedakan dengan tegas keberadaan, ketunggalan, dan kestabilan, serta memberi hipotesis tersendiri bagi masing-masing klaim.

  4. Menangani fungsi bernilai-diperluas, domain efektif, dan nilai tak hingga tanpa operasi aljabar yang tidak sah.

Kegagalan umum.

Mengatakan “kontinu maka minimum ada” pada himpunan tak kompak; menganggap konveksitas memberi ketunggalan; menyimpulkan koersivitas hanya dari keterbatasan-bawah; mengabaikan domain kosong; atau mengambil limit dalam domain yang belum dibuktikan tertutup.

Rubrik proof.0003: penurunan, teleskop, dan laju

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Menurunkan ketaksamaan satu-langkah dari asumsi yang dinyatakan, dengan tanda, faktor, dan norma yang benar.

  2. Menentukan besaran potensial nonnegatif dan meneleskopkan indeks tanpa kehilangan suku batas.

  3. Memilih langkah atau parameter dalam rentang yang benar dan melacak semua konstanta hingga batas akhir.

  4. Membedakan laju nilai fungsi, jarak iterasi, dan residu, termasuk apakah klaim berlaku untuk iterasi terakhir, terbaik, atau rata-rata.

Kegagalan umum.

Menghapus suku bertanda tak diketahui; kesalahan indeks awal/akhir; memilih langkah setelah melihat kuantitas acak masa depan; mengubah batas O(k1/2)O(k^{-1/2}) menjadi O(k1)O(k^{-1}) dengan menguadratkan sepihak; atau menyembunyikan konstanta yang bergantung pada dimensi.

Rubrik proof.0004: dualitas, kualifikasi, dan KKT

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Membentuk Lagrangian dengan tanda, ruang dual, dan domain yang benar.

  2. Menyatakan kondisi kualifikasi yang benar-benar cukup sebelum menggunakan dualitas kuat atau keberadaan pengali.

  3. Menurunkan kelayakan primal, kelayakan dual, stasioneritas, dan kelonggaran komplementer tanpa melewatkan inklusi subdiferensial.

  4. Membuktikan kebutuhan atau kecukupan kondisi KKT sesuai kelas masalah, serta menghubungkannya dengan titik pelana atau nilai dual.

Kegagalan umum.

Menyatakan KKT tanpa kualifikasi; memberi pengali bertanda salah; mengganti inklusi dengan persamaan gradien saat fungsi tak mulus; menyamakan dualitas lemah dengan kuat; atau memakai kelonggaran komplementer untuk menyimpulkan kelayakan yang belum dibuktikan.

Rubrik proof.0005: filtrasi dan argumen stokastik

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Mendefinisikan filtrasi dan menyatakan dengan benar besaran yang terukur sebelum pengambilan sampel berikutnya.

  2. Menghitung ekspektasi bersyarat, ketakbiasan, dan bias tanpa mengasumsikan independensi yang tidak tersedia.

  3. Membedakan batas varians dari batas momen kedua dan menggunakan hukum varians total atau Jensen secara sah.

  4. Menukar ekspektasi, penjumlahan, limit, atau subdiferensial hanya jika syarat integrabilitas dan teorema yang dibutuhkan telah dipenuhi.

Kegagalan umum.

Mengondisikan pada informasi yang sudah memuat sampel baru; menyebut galat sebagai selisih martingal padahal mean bersyaratnya tidak nol; mengganti 𝔼G2\mathbb E\lVert G\rVert^2 dengan varians; memakai sampel tanpa pengembalian seolah-olah independen; atau mengambil ekspektasi dari kuantitas tak terintegralkan.

Rubrik proof.0006: operator monoton dan resolven

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Menyatakan domain operator bernilai-himpunan dan membedakan monotoni, monotoni maksimal, monotoni kuat, serta kokersivitas.

  2. Mengubah inklusi menjadi persamaan resolven atau titik tetap dengan urutan komposisi dan parameter yang benar.

  3. Menggunakan firm non-ekspansivitas, keaveragan, atau kontraksi dengan konstanta yang dibuktikan, bukan diasumsikan.

  4. Menghubungkan residu atau titik klaster dengan nol operator melalui ketertutupan graf dan argumen konvergensi yang lengkap.

Kegagalan umum.

Menganggap semua operator monoton maksimal; memperlakukan resolven sebagai invers biasa; menukar RARBR_AR_B dengan RBRAR_BR_A; mengabaikan domain pada aturan jumlah; atau menyimpulkan konvergensi iterasi hanya dari residu yang menuju nol tanpa kontrol titik klaster.

Rubrik proof.0007: contoh penyangkal dan sertifikat komputasional

Kriteria (masing-masing 0–4).
  1. Menargetkan tepat satu hipotesis atau kesimpulan dan memastikan contoh memenuhi semua asumsi lain yang dipertahankan.

  2. Menghitung objek kunci secara eksak atau dengan batas galat yang tersertifikasi, termasuk kasus tepi yang relevan.

  3. Memisahkan bukti matematis dari ilustrasi numerik serta menyatakan presisi, toleransi, dan residu bila komputasi dipakai.

  4. Menjelaskan secara eksplisit bagaimana hasil contoh membatalkan klaim universal atau bagaimana sertifikat memverifikasi klaim yang terbatas.

Kegagalan umum.

Contoh melanggar asumsi lain; satu plot diperlakukan sebagai bukti universal; residu kecil disamakan dengan galat solusi tanpa batas kondisi; pembulatan mengubah tanda; atau program menguji hanya satu parameter sementara klaimnya untuk semua parameter.

Ujian tengah kumulatif

Untuk Am×nA\in\mathbb R^{m\times n}, bmb\in\mathbb R^m, dan λ>0\lambda>0, pertimbangkan F(x)=Axb22+λx1.F(x)=\lVert Ax-b\rVert_2^2+\lambda\lVert x\rVert_1. Buktikan bahwa FF selalu mempunyai peminimum. Apakah peminimum itu selalu tunggal? Berikan satu kondisi sederhana pada AA yang menjamin ketunggalan.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Bandingkan F(x)F(x) dengan λx1\lambda\lVert x\rVert_1 ketika x2\lVert x\rVert_2\to\infty. Tahap 2. Untuk ketunggalan, cari kondisi yang membuat suku kuadrat konveks ketat; untuk menyangkal ketunggalan umum, izinkan AA memiliki kernel.

Jawaban singkat.

FF kontinu dan koersif karena F(x)λx1F(x)\ge\lambda\lVert x\rVert_1, sehingga minimum dicapai. Ketunggalan tidak selalu berlaku; misalnya A=0A=0 dan b=0b=0 sebenarnya memberi minimum tunggal, tetapi matriks dengan kolom identik dapat menghasilkan banyak representasi 1\ell^1 dengan nilai sama. Kondisi sederhana yang cukup adalah AA berperingkat kolom penuh.

Solusi lengkap.

Kedua suku FF kontinu dan tak negatif. Karena x1x2\lVert x\rVert_1\ge\lVert x\rVert_2, F(x)λx2ketika x2.F(x)\ge\lambda\lVert x\rVert_2\longrightarrow\infty \quad\text{ketika }\lVert x\rVert_2\to\infty. Jadi semua himpunan sublevel tak kosong yang relevan kompak, dan teorema Weierstrass memberi keberadaan peminimum.

Ketunggalan dapat gagal. Sebagai contoh, ambil A=(11)A=(1\;1), b=1b=1, dan 0<λ<20<\lambda<2. Untuk x1,x20x_1,x_2\ge0 dengan x1+x2=sx_1+x_2=s, objektif hanya bergantung pada ss: (s1)2+λs(s-1)^2+\lambda s. Nilai minimumnya dicapai pada s=1λ/2>0s=1-\lambda/2>0, dan setiap pembagian nonnegatif dari ss memberi peminimum berbeda. Jika AA berperingkat kolom penuh, maka xAxb2x\mapsto\lVert Ax-b\rVert^2 konveks ketat. Jumlah fungsi konveks ketat dengan fungsi konveks tetap konveks ketat, sehingga peminimum yang sudah terbukti ada harus tunggal.

Untuk μ>0\mu>0 dan cnc\in\mathbb R^n, definisikan f(x)=μ2x2+c,x.f(x)=\frac\mu2\lVert x\rVert^2+\langle c,x\rangle. Hitung f*f^* secara langsung dari definisi, verifikasi f**=ff^{**}=f, dan tentukan konstanta Lipschitz terkecil dari f*\nabla f^*.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Maksimalkan kuadrat konkaf dalam definisi f*(y)=supx{y,xf(x)}f^*(y)=\sup_x\{\langle y,x\rangle-f(x)\}. Tahap 2. Terapkan perhitungan yang sama pada f*f^* atau substitusikan gradien inversnya.

Jawaban singkat.

f*(y)=12μyc2,f*(y)=ycμ.f^*(y)=\frac1{2\mu}\lVert y-c\rVert^2, \qquad \nabla f^*(y)=\frac{y-c}{\mu}. Karena itu f**=ff^{**}=f, dan konstanta Lipschitz terkecil gradien f*f^* adalah 1/μ1/\mu.

Solusi lengkap.

Definisi konjugat memberi f*(y)=supx{yc,xμ2x2}.f^*(y)=\sup_x\left\{\langle y-c,x\rangle-\frac\mu2\lVert x\rVert^2\right\}. Titik stasionernya x=(yc)/μx=(y-c)/\mu, dan substitusi menghasilkan yc2/(2μ)\lVert y-c\rVert^2/(2\mu). Selanjutnya, f**(x)=supy{x,y12μyc2}.f^{**}(x)=\sup_y\left\{\langle x,y\rangle -\frac1{2\mu}\lVert y-c\rVert^2\right\}. Peminimum negatif kuadrat, atau kondisi stasioner, memberi y=c+μxy=c+\mu x. Nilainya c,x+μx2/2=f(x)\langle c,x\rangle+\mu\lVert x\rVert^2/2=f(x). Akhirnya, f*(y)f*(z)=1μyz.\lVert\nabla f^*(y)-\nabla f^*(z)\rVert =\frac1\mu\lVert y-z\rVert. Kesetaraan berlaku untuk setiap pasangan berbeda, jadi 1/μ1/\mu bukan hanya batas yang cukup, melainkan konstanta terkecil.

Misalkan ff konveks dengan gradien LL-Lipschitz dan rr konveks proper semikontinu-bawah. Untuk 0<η1/L0<\eta\le1/L, definisikan x+=proxηr(xηf(x)),F=f+r.x^+=\operatorname{prox}_{\eta r}(x-\eta\nabla f(x)), \qquad F=f+r. Buktikan bahwa untuk setiap udomru\in\operatorname{dom}r, F(x+)F(u)xu2x+u22η.F(x^+)-F(u) \le\frac{\lVert x-u\rVert^2-\lVert x^+-u\rVert^2}{2\eta}. Kemudian turunkan batas O(1/k)O(1/k) untuk nilai fungsi iterasi gradien proksimal bila peminimum xx^\star ada.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gabungkan lemma penurunan untuk ff dengan inklusi optimalitas proksimal dan ketaksamaan subgradien untuk rr. Tahap 2. Gunakan identitas tiga norma, tetapkan u=xu=x^\star, lalu jumlahkan dan manfaatkan monotoni nilai objektif.

Jawaban singkat.

Suku tambahan yang muncul adalah (1/(2η)L/2)x+x20-(1/(2\eta)-L/2)\lVert x^+-x\rVert^2\le0, sehingga ketaksamaan yang diminta berlaku. Untuk iterasi xj+1x_{j+1} yang sama, F(xk)F(x)x0x22ηk.F(x_k)-F(x^\star) \le\frac{\lVert x_0-x^\star\rVert^2}{2\eta k}.

Solusi lengkap.

Inklusi proksimal menyediakan s+r(x+)s^+\in\partial r(x^+) dengan s+=f(x)1η(x+x).s^+=-\nabla f(x)-\frac1\eta(x^+-x). Lemma penurunan, konveksitas ff, dan ketaksamaan subgradien memberi F(x+)F(u)f(x),x+u+L2x+x2+s+,x+u=1ηx+x,x+u+L2x+x2=xu2x+u22η(12ηL2)x+x2.\begin{align*} F(x^+)-F(u) &\le \langle\nabla f(x),x^+-u\rangle +\frac L2\lVert x^+-x\rVert^2 +\langle s^+,x^+-u\rangle\\ &=-\frac1\eta\langle x^+-x,x^+-u\rangle +\frac L2\lVert x^+-x\rVert^2\\ &=\frac{\lVert x-u\rVert^2-\lVert x^+-u\rVert^2}{2\eta} -\left(\frac1{2\eta}-\frac L2\right)\lVert x^+-x\rVert^2. \end{align*} Koefisien terakhir nonnegatif karena η1/L\eta\le1/L, sehingga suku negatif itu dapat dibuang. Dengan u=xu=x^\star, penjumlahan untuk j=0,,k1j=0,\ldots,k-1 meneleskopkan jarak dan memberi j=0k1(F(xj+1)F(x))x0x22η.\sum_{j=0}^{k-1}\bigl(F(x_{j+1})-F(x^\star)\bigr) \le\frac{\lVert x_0-x^\star\rVert^2}{2\eta}. Ketaksamaan yang sama dengan u=xju=x_j menunjukkan nilai F(xj)F(x_j) tidak naik. Karena itu suku terakhir tidak melebihi rata-rata kk suku, yang menghasilkan batas pada jawaban singkat.

Misalkan f(x)=12xQxbx,Q0.f(x)=\tfrac12x^\top Qx-b^\top x, \qquad Q\succ0. Dari titik sembarang xx, tentukan arah Newton pp, buktikan bahwa x+px+p adalah peminimum eksak, dan tunjukkan bahwa uji Armijo f(x+p)f(x)+cf(x)pf(x+p)\le f(x)+c\nabla f(x)^\top p menerima langkah penuh untuk setiap 0<c1/20<c\le1/2.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Selesaikan Qp=f(x)Qp=-\nabla f(x) dan hitung gradien di x+px+p. Tahap 2. Gunakan ekspansi kuadrat eksak sepanjang pp serta f(x)p=pQp\nabla f(x)^\top p=-p^\top Qp.

Jawaban singkat.

p=Q1(bQx)p=Q^{-1}(b-Qx) dan x+p=Q1b=xx+p=Q^{-1}b=x^\star. Selain itu, f(x+p)=f(x)12pQp,f(x)p=pQp,f(x+p)=f(x)-\tfrac12p^\top Qp, \qquad \nabla f(x)^\top p=-p^\top Qp, sehingga Armijo berlaku tepat bila c1/2c\le1/2 (atau trivial bila p=0p=0).

Solusi lengkap.

Gradiennya QxbQx-b dan Hessiannya QQ. Persamaan Newton Qp=(Qxb)Qp=-(Qx-b) memberi p=Q1bxp=Q^{-1}b-x, sehingga titik baru adalah Q1bQ^{-1}b. Karena QQ definit positif, titik stasioner ini peminimum tunggal. Ekspansi eksak memberi f(x+p)=f(x)+f(x)p+12pQp=f(x)12pQp.f(x+p)=f(x)+\nabla f(x)^\top p+\tfrac12p^\top Qp =f(x)-\tfrac12p^\top Qp. Ruas kanan uji Armijo adalah f(x)cpQpf(x)-c\,p^\top Qp. Untuk p0p\ne0, definit positifnya QQ membuat uji ekuivalen dengan 1/2c1/2\ge c. Jika p=0p=0, titik sudah optimal dan kedua ruas sama untuk semua cc.

Ambil R>0R>0 dan cnc\in\mathbb R^n dengan c>R\lVert c\rVert>R. Selesaikan minx12xc2dengan syarath(x)=12(x2R2)0.\min_x\ \tfrac12\lVert x-c\rVert^2 \quad\text{dengan syarat}\quad h(x)=\tfrac12(\lVert x\rVert^2-R^2)\le0. Verifikasi kondisi Slater, tulis seluruh kondisi KKT, dan hitung pasangan primal–dual optimal secara eksplisit.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Titik nol adalah titik Slater; karena cc di luar bola, kendala pada solusi harus aktif. Tahap 2. Stasioneritas memberi (1+λ)x=c(1+\lambda)x=c.

Jawaban singkat.

KKT terdiri dari xc+λx=0,quadh(x)0,quadλ0,quadλh(x)=0.x-c+\lambda x=0,quad h(x)\le0,quad\lambda\ge0,quad\lambda h(x)=0. Solusinya x=Rcc,λ=cR1.x^\star=R\frac{c}{\lVert c\rVert}, \qquad \lambda^\star=\frac{\lVert c\rVert}{R}-1.

Solusi lengkap.

Karena h(0)=R2/2<0h(0)=-R^2/2<0, Slater berlaku. Masalah konveks dan objektifnya konveks ketat, sehingga KKT perlu dan cukup serta solusi primal tunggal. Lagrangiannya L(x,λ)=12xc2+λ2(x2R2).L(x,\lambda)=\tfrac12\lVert x-c\rVert^2 +\frac\lambda2(\lVert x\rVert^2-R^2). Stasioneritas dan tiga kondisi lainnya tercantum pada jawaban singkat. Solusi tanpa kendala x=cx=c tidak layak, maka kendala aktif dan x=R\lVert x\rVert=R. Dari (1+λ)x=c(1+\lambda)x=c diperoleh bahwa xx searah dengan cc. Menormakan persamaan itu menghasilkan 1+λ=c/R1+\lambda=\lVert c\rVert/R, sehingga pasangan yang dinyatakan mengikuti. Pengalinya positif, maka semua kondisi KKT terpenuhi.

Pertimbangkan masalah konveks skalar minxxdengan syaratx20.\min_{x\in\mathbb R} x \quad\text{dengan syarat}\quad x^2\le0. Tentukan solusi, tunjukkan bahwa Slater gagal, dan buktikan bahwa tidak ada pengali λ0\lambda\ge0 yang memenuhi kondisi KKT pada solusi. Jelaskan mengapa contoh ini tidak menyangkal teorema KKT dengan kualifikasi.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tentukan seluruh himpunan layak dari ketaksamaan kuadrat. Tahap 2. Diferensiasikan L(x,λ)=x+λx2L(x,\lambda)=x+\lambda x^2 di titik layak.

Jawaban singkat.

Satu-satunya titik layak dan optimal ialah x=0x^\star=0. Tidak ada titik dengan x2<0x^2<0, jadi Slater gagal. Stasioneritas KKT menuntut 1+2λx=01+2\lambda x^\star=0, yakni 1=01=0, mustahil untuk setiap λ\lambda.

Solusi lengkap.

Karena kuadrat selalu nonnegatif, syarat x20x^2\le0 ekuivalen dengan x=0x=0. Maka x=0x^\star=0 adalah satu-satunya titik layak dan otomatis peminimum. Slater memerlukan titik dengan x2<0x^2<0, yang tidak ada. Untuk pengali λ0\lambda\ge0, Lagrangian adalah L(x,λ)=x+λx2L(x,\lambda)=x+\lambda x^2 dan kondisi stasioneritas pada xx^\star ialah 0=Lx(0,λ)=1+2λ0=1,0=\frac{\partial L}{\partial x}(0,\lambda)=1+2\lambda\cdot0=1, sebuah kontradiksi. Teorema KKT yang menjamin keberadaan pengali memakai kondisi kualifikasi seperti Slater. Hipotesis itu gagal di sini, sehingga ketiadaan pengali justru menunjukkan mengapa kualifikasi tidak boleh dihilangkan.

Ujian akhir kumulatif

Misalkan h:mh:\mathbb R^m\to\mathbb R konveks, kontinu, dan tak negatif; r:n(,+]r:\mathbb R^n\to(-\infty,+\infty] proper, semikontinu-bawah, konveks, dan tak negatif; A:nmA:\mathbb R^n\to\mathbb R^m linear; serta λ>0\lambda>0. Buktikan bahwa F(x)=h(Ax)+r(x)+λ2x2F(x)=h(Ax)+r(x)+\frac\lambda2\lVert x\rVert^2 mempunyai tepat satu peminimum. Nyatakan bagian argumen yang membuktikan keberadaan dan bagian yang membuktikan ketunggalan.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gunakan ketaknegatifan dua suku pertama untuk membatasi himpunan sublevel. Tahap 2. Periksa apa yang terjadi pada modulus konveksitas kuat ketika fungsi konveks ditambahkan pada kuadrat λx2/2\lambda\lVert x\rVert^2/2.

Jawaban singkat.

FF proper, semikontinu-bawah, dan F(x)λx2/2F(x)\ge\lambda\lVert x\rVert^2/2, sehingga ia koersif dan mencapai minimum. Selain itu, FF bersifat λ\lambda-konveks kuat, sehingga peminimumnya tunggal.

Solusi lengkap.

Karena rr proper, terdapat x0x_0 dengan r(x0)<r(x_0)<\infty; fungsi hh bernilai hingga, jadi F(x0)<F(x_0)<\infty dan FF proper. Komposisi hAh\circ A kontinu dan konveks, sementara rr semikontinu-bawah. Maka FF semikontinu-bawah. Dari ketaknegatifan, F(x)λ2x2+ketika x.F(x)\ge\frac\lambda2\lVert x\rVert^2\longrightarrow+\infty \quad\text{ketika }\lVert x\rVert\to\infty. Jadi sebuah barisan peminimum berada dalam himpunan terbatas; dalam dimensi hingga kita dapat mengambil subsekuens konvergen, dan semikontinuitas-bawah menunjukkan bahwa limitnya mencapai infimum. Ini membuktikan keberadaan.

Fungsi kuadrat adalah λ\lambda-konveks kuat. Penambahan dua fungsi konveks mempertahankan modulus itu, jadi FF juga λ\lambda-konveks kuat. Jika ada dua peminimum berbeda, ketaksamaan konveksitas kuat pada titik tengah akan memberi nilai yang lebih kecil secara ketat daripada nilai minimum, kontradiksi. Maka peminimum tunggal.

Misalkan ff konveks dengan gradien LL-Lipschitz, rr proper semikontinu-bawah dan konveks, serta xdomrx\in\operatorname{dom}r. Untuk M>0M>0, definisikan xM=argminy{r(y)+f(x)+f(x),yx+M2yx2}.x_M=\arg\min_y\left\{ r(y)+f(x)+\langle\nabla f(x),y-x\rangle +\frac M2\lVert y-x\rVert^2\right\}. Algoritme menggandakan MM sampai uji majorisasi f(xM)f(x)+f(x),xMx+M2xMx2f(x_M)\le f(x)+\langle\nabla f(x),x_M-x\rangle +\frac M2\lVert x_M-x\rVert^2 \tag{A} terpenuhi. Buktikan bahwa pencarian berhenti secara hingga, lalu buktikan sertifikat penurunan (f+r)(xM)(f+r)(x)M2xMx2.(f+r)(x_M)\le(f+r)(x)-\frac M2\lVert x_M-x\rVert^2. Nyatakan residu gradien proksimal yang dapat dihitung dari langkah ini.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Lemma penurunan menjamin (A) untuk semua MLM\ge L. Tahap 2. Model yang diminimalkan bersifat MM-konveks kuat dan nilainya di y=xy=x sama dengan (f+r)(x)(f+r)(x).

Jawaban singkat.

Penggandaan akhirnya menghasilkan MLM\ge L, sehingga (A) berlaku. Konveksitas kuat model memberi nilai model di xMx_M paling besar (f+r)(x)MxMx2/2(f+r)(x)-M\lVert x_M-x\rVert^2/2; (A) memindahkan batas itu ke objektif sebenarnya. Residu yang lazim adalah GM(x)=M(xxM)G_M(x)=M(x-x_M).

Solusi lengkap.

Lemma penurunan menyatakan untuk semua yy, f(y)f(x)+f(x),yx+L2yx2.f(y)\le f(x)+\langle\nabla f(x),y-x\rangle +\frac L2\lVert y-x\rVert^2. Jadi begitu urutan penggandaan mencapai MLM\ge L, uji (A) pasti diterima; jumlah penggandaan hingga.

Tuliskan model di dalam kurung sebagai QM(y)Q_M(y). Ia MM-konveks kuat dan xMx_M adalah peminimumnya. Dengan memakai 0QM(xM)0\in\partial Q_M(x_M) dalam ketaksamaan konveksitas kuat, QM(x)QM(xM)+M2xxM2.Q_M(x)\ge Q_M(x_M)+\frac M2\lVert x-x_M\rVert^2. Karena QM(x)=(f+r)(x)Q_M(x)=(f+r)(x) dan uji (A) memberi (f+r)(xM)QM(xM)(f+r)(x_M)\le Q_M(x_M), kedua ketaksamaan menghasilkan sertifikat yang diminta. Vektor GM(x)=M(xxM)G_M(x)=M(x-x_M) dapat dihitung dari langkah. Ia nol tepat bila x=xMx=x_M, yang melalui kondisi optimalitas ekuivalen dengan 0f(x)+r(x)0\in\nabla f(x)+\partial r(x).

Untuk τ>0\tau>0 dan R>0R>0, pertimbangkan minx12Axb2+τx1dengan syaratBxd2R.\min_x\ \frac12\lVert Ax-b\rVert^2+\tau\lVert x\rVert_1 \quad\text{dengan syarat}\quad \lVert Bx-d\rVert_2\le R. Anggap terdapat x\bar x dengan Bxd2<R\lVert B\bar x-d\rVert_2<R. Turunkan sistem KKT lengkap. Tuliskan subgradien norma Euclidean baik ketika Bxd0Bx-d\ne0 maupun ketika Bxd=0Bx-d=0, dan jelaskan mengapa sistem KKT cukup untuk optimalitas global.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gunakan pengali ν0\nu\ge0 untuk fungsi kendala q(x)=Bxd2Rq(x)=\lVert Bx-d\rVert_2-R. Tahap 2. Terapkan aturan rantai subdiferensial pada norma dan pisahkan kasus argumen nol.

Jawaban singkat.

Terdapat sx1s\in\partial\lVert x\rVert_1, qBxd2q\in\partial\lVert Bx-d\rVert_2, dan ν0\nu\ge0 sehingga 0=A(Axb)+τs+νBq,0=A^\top(Ax-b)+\tau s+\nu B^\top q, Bxd2R,qquadν(Bxd2R)=0.\lVert Bx-d\rVert_2\le R,qquad \nu(\lVert Bx-d\rVert_2-R)=0. Jika z0z\ne0, z2={z/z2}\partial\lVert z\rVert_2=\{z/\lVert z\rVert_2\}; jika z=0z=0, subdiferensialnya adalah bola satuan. Slater membuat KKT perlu dan, karena masalah konveks, juga cukup.

Solusi lengkap.

Lagrangian adalah (x,ν)=12Axb2+τx1+ν(Bxd2R).\mathcal L(x,\nu)=\tfrac12\lVert Ax-b\rVert^2 +\tau\lVert x\rVert_1+\nu(\lVert Bx-d\rVert_2-R). Kondisi Slater yang diberikan menjamin keberadaan pengali optimal dan aturan KKT tanpa celah dual. Stasioneritas adalah inklusi 0A(Axb)+τx1+νBBxd2.0\in A^\top(Ax-b)+\tau\partial\lVert x\rVert_1 +\nu B^\top\partial\lVert Bx-d\rVert_2. Memilih ss dan qq dari kedua subdiferensial mengubahnya menjadi persamaan pada jawaban singkat. Secara koordinat, si=sign(xi)s_i=\operatorname{sign}(x_i) jika xi0x_i\ne0 dan si[1,1]s_i\in[-1,1] jika xi=0x_i=0. Untuk norma Euclidean, q=z/zq=z/\lVert z\rVert saat z=Bxd0z=Bx-d\ne0, sedangkan sembarang qq dengan q1\lVert q\rVert\le1 sah saat z=0z=0.

Sistem dilengkapi oleh kelayakan primal, kelayakan dual ν0\nu\ge0, dan kelonggaran komplementer. Objektif dan fungsi kendala konveks; maka setiap pasangan yang memenuhi sistem membentuk sertifikat titik pelana Lagrangian dan memberi peminimum global.

Misalkan g1,,gNg_1,\ldots,g_N adalah vektor tak nol yang diketahui. Untuk peluang pi>0p_i>0, ipi=1\sum_i p_i=1, ambil IpI\sim p dan G=gI/(NpI)G=g_I/(Np_I). Di antara semua distribusi pp, tentukan distribusi yang meminimalkan 𝔼G2\mathbb E\lVert G\rVert^2, hitung nilai minimumnya, dan tulis varians minimum terhadap mean g=N1igi\bar g=N^{-1}\sum_i g_i.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Masalah skalar yang harus diminimalkan adalah igi2/pi\sum_i\lVert g_i\rVert^2/p_i pada simpleks. Tahap 2. Gunakan pengali Lagrange atau Cauchy–Schwarz, lalu kurangi g2\lVert\bar g\rVert^2 dari momen kedua.

Jawaban singkat.

pi=gijgj,minp𝔼G2=1N2(igi)2.p_i^\star=\frac{\lVert g_i\rVert}{\sum_j\lVert g_j\rVert}, \qquad \min_p\mathbb E\lVert G\rVert^2 =\frac1{N^2}\left(\sum_i\lVert g_i\rVert\right)^2. Varians minimumnya adalah nilai terakhir dikurangi g2\lVert\bar g\rVert^2.

Solusi lengkap.

Ketakbiasan mengikuti dari 𝔼G=ipigi/(Npi)=g\mathbb E G=\sum_i p_i g_i/(Np_i)=\bar g. Momen keduanya ialah 𝔼G2=1N2igi2pi.\mathbb E\lVert G\rVert^2 =\frac1{N^2}\sum_i\frac{\lVert g_i\rVert^2}{p_i}. Cauchy–Schwarz memberi (igi)2=(igipipi)2(igi2pi)(ipi).\left(\sum_i\lVert g_i\rVert\right)^2 =\left(\sum_i\frac{\lVert g_i\rVert}{\sqrt{p_i}}\sqrt{p_i}\right)^2 \le\left(\sum_i\frac{\lVert g_i\rVert^2}{p_i}\right) \left(\sum_i p_i\right). Kesetaraan terjadi tepat ketika gi/pi\lVert g_i\rVert/\sqrt{p_i} sebanding dengan pi\sqrt{p_i}, yakni pigip_i\propto\lVert g_i\rVert. Karena semua vektor tak nol, distribusi itu strictly positif dan layak. Substitusi memberi nilai minimum. Identitas 𝔼Gg2=𝔼G2g2\mathbb E\lVert G-\bar g\rVert^2= \mathbb E\lVert G\rVert^2-\lVert\bar g\rVert^2 memberi varians yang diminta.

Misalkan CC konveks, hh terdiferensialkan dan 11-konveks kuat terhadap norma \lVert\cdot\rVert, serta ff konveks pada CC. Dengan filtrasi k\mathcal F_k, anggap 𝔼[Gkk]=gkf(xk),𝔼[Gk*2k]G2.\mathbb E[G_k\mid\mathcal F_k]=g_k\in\partial f(x_k), \qquad \mathbb E[\lVert G_k\rVert_*^2\mid\mathcal F_k]\le G^2. Iterasi diberikan oleh xk+1argminxC{ηGk,x+Dh(x,xk)}.x_{k+1}\in\arg\min_{x\in C} \{\eta\langle G_k,x\rangle+D_h(x,x_k)\}. Jika xx^\star meminimalkan ff dan Dh(x,x0)D2/2D_h(x^\star,x_0)\le D^2/2, buktikan untuk xK=K1k=0K1xk\bar x_K=K^{-1}\sum_{k=0}^{K-1}x_k dan η=D/(GK)\eta=D/(G\sqrt K) bahwa 𝔼[f(xK)f(x)]DGK.\mathbb E[f(\bar x_K)-f(x^\star)]\le\frac{DG}{\sqrt K}.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Dari ketaksamaan tiga titik dan konveksitas kuat hh, turunkan batas satu langkah dengan suku η2Gk*2/2\eta^2\lVert G_k\rVert_*^2/2. Tahap 2. Ambil ekspektasi bersyarat, jumlahkan, gunakan Jensen pada f(xK)f(\bar x_K), lalu optimalkan langkah konstan.

Jawaban singkat.

Ketaksamaan dasar memberi η𝔼[f(xk)f(x)]𝔼[Dh(x,xk)Dh(x,xk+1)]+η2G22.\eta\,\mathbb E[f(x_k)-f(x^\star)] \le\mathbb E[D_h(x^\star,x_k)-D_h(x^\star,x_{k+1})] +\frac{\eta^2G^2}{2}. Setelah dijumlahkan dan dibagi ηK\eta K, batasnya D2/(2ηK)+ηG2/2D^2/(2\eta K)+\eta G^2/2; pilihan langkah yang diberikan membuatnya DG/KDG/\sqrt K.

Solusi lengkap.

Optimalitas langkah cermin dan identitas tiga titik menghasilkan, untuk uCu\in C, ηGk,xk+1uDh(u,xk)Dh(u,xk+1)Dh(xk+1,xk).\eta\langle G_k,x_{k+1}-u\rangle \le D_h(u,x_k)-D_h(u,x_{k+1})-D_h(x_{k+1},x_k). Tambahkan ηGk,xkxk+1\eta\langle G_k,x_k-x_{k+1}\rangle pada kedua ruas. Karena Dh(xk+1,xk)xk+1xk2/2D_h(x_{k+1},x_k)\ge\lVert x_{k+1}-x_k\rVert^2/2, Young memberi ηGk,xkuDh(u,xk)Dh(u,xk+1)+η22Gk*2.\eta\langle G_k,x_k-u\rangle \le D_h(u,x_k)-D_h(u,x_{k+1}) +\frac{\eta^2}{2}\lVert G_k\rVert_*^2. Ambil u=xu=x^\star dan ekspektasi bersyarat. Karena xkx_k terukur terhadap k\mathcal F_k, ketakbiasan memberi 𝔼[Gk,xkxk]=gk,xkxf(xk)f(x)\mathbb E[\langle G_k,x_k-x^\star\rangle\mid\mathcal F_k] =\langle g_k,x_k-x^\star\rangle\ge f(x_k)-f(x^\star). Maka ketaksamaan pada jawaban singkat berlaku.

Menjumlahkan untuk k=0,,K1k=0,\ldots,K-1 meneleskopkan divergensi dan memberi 1Kk=0K1𝔼[f(xk)f(x)]D22ηK+ηG22.\frac1K\sum_{k=0}^{K-1}\mathbb E[f(x_k)-f(x^\star)] \le\frac{D^2}{2\eta K}+\frac{\eta G^2}{2}. Konveksitas dan Jensen membatasi ruas kiri dari bawah oleh 𝔼[f(xK)f(x)]\mathbb E[f(\bar x_K)-f(x^\star)]. Substitusi η=D/(GK)\eta=D/(G\sqrt K) membuat kedua suku kanan sama dengan DG/(2K)DG/(2\sqrt K), sehingga hasil mengikuti.

Misalkan AA maksimal monoton dan μ\mu-monoton kuat dengan μ>0\mu>0. Buktikan bahwa untuk setiap γ>0\gamma>0, JγAxJγAy11+γμxy.\lVert J_{\gamma A}x-J_{\gamma A}y\rVert \le\frac1{1+\gamma\mu}\lVert x-y\rVert. Simpulkan bahwa AA mempunyai paling banyak satu nol dan, jika nol xx^\star ada, iterasi xk+1=JγAxkx_{k+1}=J_{\gamma A}x_k konvergen linear kepadanya.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Tetapkan p=JγAxp=J_{\gamma A}x, q=JγAyq=J_{\gamma A}y, lalu tulis anggota ApAp dan AqAq dari definisi resolven. Tahap 2. Terapkan monotoni kuat dan Cauchy–Schwarz; kemudian ambil y=xy=x^\star.

Jawaban singkat.

Monotoni kuat memberi pq,xy(1+γμ)pq2,\langle p-q,x-y\rangle\ge(1+\gamma\mu)\lVert p-q\rVert^2, yang bersama Cauchy–Schwarz menghasilkan kontraksi. Karena JγAx=xJ_{\gamma A}x^\star=x^\star, xkx(1+γμ)kx0x.\lVert x_k-x^\star\rVert \le(1+\gamma\mu)^{-k}\lVert x_0-x^\star\rVert.

Solusi lengkap.

Dari definisi resolven, xpγAp,yqγAq.\frac{x-p}{\gamma}\in Ap, \qquad \frac{y-q}{\gamma}\in Aq. Monotoni kuat memberikan pq,xpγyqγμpq2.\left\langle p-q,\frac{x-p}{\gamma}-\frac{y-q}{\gamma}\right\rangle \ge\mu\lVert p-q\rVert^2. Setelah dikalikan γ\gamma dan ditata ulang, ini menjadi ketaksamaan pada jawaban singkat. Jika pqp\ne q, Cauchy–Schwarz dan pembagian oleh pq\lVert p-q\rVert memberi batas Lipschitz; bila p=qp=q batasnya trivial.

Jika uu dan vv keduanya nol AA, monotoni kuat memberi 0μuv20\ge\mu\lVert u-v\rVert^2, sehingga u=vu=v. Untuk nol yang ada, JγAx=xJ_{\gamma A}x^\star=x^\star. Penerapan berulang faktor kontraksi q=(1+γμ)1<1q=(1+\gamma\mu)^{-1}<1 memberi batas linear yang dinyatakan.

Misalkan ai,bj>0a_i,b_j>0 dan total massanya sama. Untuk ε>0\varepsilon>0, tinjau D(f,g)=af+bgεi,jexp(fi+gjCijε).D(f,g)=a^\top f+b^\top g -\varepsilon\sum_{i,j} \exp\!\left(\frac{f_i+g_j-C_{ij}}{\varepsilon}\right). Buktikan bahwa, dengan gg tetap, pemaksimal unik terhadap setiap fif_i adalah fi=εlogaiεlogjexp(gjCijε),f_i=\varepsilon\log a_i-\varepsilon \log\sum_j\exp\!\left(\frac{g_j-C_{ij}}{\varepsilon}\right), dan turunkan pembaruan analog untuk gjg_j. Simpulkan bahwa penskalaan Sinkhorn adalah maksimisasi koordinat blok eksak dan nilai dual tidak menurun pada setiap setengah langkah. Jelaskan ketidaktunggalan bersama akibat gauge.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Nolkan turunan parsial terhadap satu fif_i dan periksa tanda turunan keduanya. Tahap 2. Ulangi untuk gjg_j dan amati transformasi (f,g)(f+c𝟏,gc𝟏)(f,g)\mapsto(f+c\mathbf{1},g-c\mathbf{1}).

Jawaban singkat.

Persamaan stasioner blok ff ialah ai=jexp((fi+gjCij)/ε),a_i=\sum_j\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon), yang memberi rumus pada soal; rumus blok gg diperoleh dengan menukar baris dan kolom. Setiap turunan kedua blok negatif, jadi pembaruan adalah maksimum unik dan tidak menurunkan DD. Pasangan bersama hanya unik hingga penambahan konstanta pada ff dan pengurangan konstanta yang sama pada gg.

Solusi lengkap.

Untuk gg tetap, Dfi=aijexp((fi+gjCij)/ε).\frac{\partial D}{\partial f_i} =a_i-\sum_j\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon). Menetapkannya nol dan mengeluarkan faktor exp(fi/ε)\exp(f_i/\varepsilon) memberi rumus eksplisit pada soal. Turunan kedua adalah 1εjexp((fi+gjCij)/ε)<0,-\frac1\varepsilon\sum_j \exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon)<0, dan tidak ada suku silang antara fif_i yang berlainan ketika gg tetap. Jadi rumus itu adalah pemaksimal blok unik. Secara simetris, gj=εlogbjεlogiexp(fiCijε).g_j=\varepsilon\log b_j-\varepsilon \log\sum_i\exp\!\left(\frac{f_i-C_{ij}}{\varepsilon}\right). Mengganti satu blok dengan pemaksimal eksaknya tidak dapat menurunkan nilai fungsi dual. Dalam variabel skala eksponensial, kedua rumus adalah pembaruan baris dan kolom Sinkhorn.

Jika ff ditambah c𝟏c\mathbf{1} dan gg dikurangi c𝟏c\mathbf{1}, semua jumlah fi+gjf_i+g_j tetap. Suku linear juga tetap karena total massa aa dan bb sama. Jadi nilai dual dan kopling tidak berubah; inilah kebebasan gauge yang membuat pemaksimal pasangan tidak tunggal sebelum normalisasi.

Pertimbangkan minxCs(x)+τWx1,s(x)=𝔼ξ[ξ(Aξxbξ)],\min_{x\in C}\quad s(x)+\tau\lVert Wx\rVert_1, \qquad s(x)=\mathbb E_\xi[\ell_\xi(A_\xi x-b_\xi)], dengan C={x:x2R}C=\{x:\lVert x\rVert_2\le R\}, τ>0\tau>0, dan ss konveks terdiferensialkan. Tuliskan inklusi optimalitas primal dan sistem primal–dual dengan variabel yy untuk suku 1\ell^1. Bandingkan kapan gradien proksimal stokastik langsung layak dipakai dan kapan pemisahan primal–dual lebih sesuai. Berikan sepasang residu KKT dan asumsi orakel minimum yang diperlukan untuk klaim konvergensi stokastik.

Petunjuk bertahap.

Tahap 1. Gabungkan (τW1)\partial(\tau\lVert W\cdot\rVert_1) dengan kerucut normal NCN_C, lalu gunakan aturan rantai melalui WW^\top. Tahap 2. Bandingkan proksimal gabungan dengan proyeksi ke CC dan proksimal konjugat norma 1\ell^1 yang dapat dihitung secara terpisah.

Jawaban singkat.

Optimalitas ekuivalen dengan keberadaan yy sehingga 0s(x)+Wy+NC(x),yτWx1.0\in\nabla s(x)+W^\top y+N_C(x), \qquad y\in\tau\partial\lVert Wx\rVert_1. Gradien proksimal langsung sesuai bila proxη(τW1+δC)\operatorname{prox}_{\eta(\tau\lVert W\cdot\rVert_1+\delta_C)} mudah; pemisahan primal–dual sesuai bila hanya proyeksi ke CC dan proyeksi dual ke bola \ell^\infty yang mudah. Residu dapat berupa jarak kedua inklusi ke nol. Orakel harus tidak bias secara bersyarat, bermomen kedua terkendali, dan langkah harus memenuhi syarat penjumlahan yang sesuai.

Solusi lengkap.

Dengan aturan rantai konveks, (τW1)(x)=W(τWx1).\partial\bigl(\tau\lVert W\cdot\rVert_1\bigr)(x) =W^\top\bigl(\tau\partial\lVert Wx\rVert_1\bigr). Karena kendala ditulis sebagai indikator δC\delta_C, syarat Fermat adalah 0s(x)+W(τWx1)+NC(x).0\in\nabla s(x)+W^\top \bigl(\tau\partial\lVert Wx\rVert_1\bigr)+N_C(x). Memperkenalkan yτWx1y\in\tau\partial\lVert Wx\rVert_1 menghasilkan sistem pada jawaban singkat. Secara ekuivalen, Wx(τ1)*(y)Wx\in\partial(\tau\lVert\cdot\rVert_1)^*(y), dan fungsi konjugat itu adalah indikator bola {y:yτ}\{y:\lVert y\rVert_\infty\le\tau\}.

Jika proksimal gabungan τW1+δC\tau\lVert W\cdot\rVert_1+\delta_C tersedia dalam bentuk tertutup atau dapat dihitung murah, langkah gradien proksimal stokastik memisahkan bagian halus ss secara langsung. Untuk WW umum, proksimal gabungan biasanya tidak terurai menjadi penyusutan lunak lalu proyeksi. Metode primal–dual menjaga WxWx sebagai operator linear dan hanya membutuhkan proyeksi ke bola CC serta proyeksi yy ke bola \ell^\infty berjari-jari τ\tau; karena itu ia lebih sesuai pada keadaan tersebut.

Satu pasangan residu matematis adalah rp(x,y)=dist(0,s(x)+Wy+NC(x)),r_{\mathrm p}(x,y)= \operatorname{dist}\bigl(0,\nabla s(x)+W^\top y+N_C(x)\bigr), rd(x,y)=dist(Wx,(τ1)*(y)),r_{\mathrm d}(x,y)= \operatorname{dist}\bigl(Wx,\partial(\tau\lVert\cdot\rVert_1)^*(y)\bigr), dengan nilai tak hingga bila yy berada di luar domain konjugat. Keduanya nol tepat pada pasangan KKT. Untuk analisis stokastik, penduga gradien GkG_k sekurang-kurangnya harus memenuhi 𝔼[Gkk]=s(xk)\mathbb E[G_k\mid\mathcal F_k]=\nabla s(x_k) dan batas momen kedua atau varians yang sesuai. Pada skema Robbins–Monro dasar, langkah positif lazimnya memenuhi kηk=\sum_k\eta_k=\infty dan kηk2<\sum_k\eta_k^2<\infty; klaim laju dengan langkah tetap memerlukan asumsi tambahan seperti reduksi varians atau menerima lantai galat. Norma operator WW juga harus masuk ke batas langkah primal–dual, bukan diabaikan.

Laboratorium 3: kegagalan lokal dan globalisasi Newton

Laboratorium ini memperlihatkan bahwa arah yang tampak “orde dua” belum tentu aman secara global. Kita memakai fungsi konveks mulus F(x,y)=log(coshx)+12y2,F(x,y)=(tanhxy),2F(x,y)=(sech2x001).\begin{equation} F(x,y)=\log(\cosh x)+\frac12y^2, \qquad \nabla F(x,y)=\begin{pmatrix}\tanh x\\y\end{pmatrix}, \qquad \nabla^2F(x,y)= \begin{pmatrix}\operatorname{sech}^2x&0\\0&1\end{pmatrix}. \label{orig03:eq:lab3-model} \end{equation} Minimum uniknya adalah (0,0)(0,0) dengan nilai nol. Walaupun Hessian selalu positif, kelengkungan pada arah xx sangat kecil ketika |x||x| besar. Karena itu, langkah Newton penuh dari titik awal yang disediakan dapat melompat ke daerah dengan nilai objektif jauh lebih tinggi. Contoh ini memisahkan dua persoalan: pemilihan arah dan pemilihan panjang langkah.

Kode tetap berada di labs/original-03/globalisasi-newton.py. Dengan seed dan konfigurasi yang dibekukan, kode membandingkan empat metode:

  1. gradien dengan langkah tetap yang sengaja terlalu besar;

  2. gradien dengan pencarian balik Armijo;

  3. Newton murni dengan langkah penuh;

  4. Newton teredam dengan Hessian terkoreksi Bk=2F(zk)+τkIB_k=\nabla^2F(z_k)+\tau_kI, dengan λmin(Bk)μ_\lambda_{\min}(B_k)\geq \underline\mu.

Jejak lengkap ditulis ke CSV, ringkasan dan sertifikat ditulis ke JSON, dan SVG hanya memvisualkan data yang sama. Tidak ada kesimpulan numerik yang bergantung pada grafik.

Prompt

Jalankan skrip sekali dan kerjakan hal-hal berikut.

  1. Turunkan langkah Newton murni pada koordinat xx dan jelaskan mengapa x03x_0\approx3 menghasilkan lompatan besar walaupun fungsi konveks.

  2. Dari jejak CSV, temukan kenaikan objektif pertama bagi Newton murni dan kegagalan metode gradien berlangkah tetap.

  3. Buktikan bahwa syarat Armijo F(zk+αkdk)F(zk)+c1αkF(zk)dkF(z_k+\alpha_kd_k)\leq F(z_k)+c_1\alpha_k \nabla F(z_k)^\top d_k menghasilkan penurunan ketat bila dkd_k adalah arah turun.

  4. Buktikan bahwa koreksi τk=max{0,μ_λmin(2F(zk))}\tau_k=\max\{0,\underline\mu-\lambda_{\min}(\nabla^2F(z_k))\} membuat dk=Bk1F(zk)d_k=-B_k^{-1}\nabla F(z_k) menjadi arah turun selama gradien tidak nol.

  5. Cocokkan bukti Anda dengan seluruh boolean sertifikat dalam JSON dan jelaskan mengapa “gagal” di sini merupakan bukti terkontrol, bukan galat program.

Petunjuk bertahap

  1. Gunakan sech2x=1tanh2x\operatorname{sech}^2x=1-\tanh^2x dan tulis x+=xtanh(x)/sech2(x)x^+=x-\tanh(x)/\operatorname{sech}^2(x).

  2. Bandingkan kolom objective pada dua baris berturutan; jangan menyimpulkan kegagalan hanya dari gambar.

  3. Pada ruas kanan Armijo, tanda F(zk)dk<0\nabla F(z_k)^\top d_k<0 adalah fakta penentu.

  4. Gunakan Bkμ_IB_k\succeq\underline\mu I untuk menunjukkan F(zk)dk=gkBk1gk<0\nabla F(z_k)^\top d_k=-g_k^\top B_k^{-1}g_k<0.

  5. Periksa juga bahwa semua langkah metode teredam diterima oleh Armijo dan nilai objektifnya monoton menurun.

Jawaban singkat

Newton murni gagal karena invers kelengkungan 1/sech2(x0)1/\operatorname{sech}^2(x_0) sangat besar. Langkah gradien tetap gagal karena faktor koordinat kuadratiknya adalah 1α=1.51-\alpha=-1.5. Pencarian balik memendekkan langkah sampai memenuhi penurunan cukup. Koreksi Hessian menjamin arah turun, sedangkan Armijo mengglobalisasi panjang langkah; kombinasi keduanya mencapai toleransi gradien yang dibekukan.

Solusi acuan lengkap

Pada koordinat pertama, Newton murni memberi x+=xtanhxsech2x=xsinhxcoshx.x^+=x-\frac{\tanh x}{\operatorname{sech}^2x} =x-\sinh x\cosh x. Untuk x3x\approx3, suku sinhxcoshx\sinh x\cosh x berorde 10210^2, sehingga iterasi melompat melintasi minimizer dan menaikkan log(coshx)\log(\cosh x). Pada iterasi berikutnya sech2x\operatorname{sech}^2x mendekati nol pada presisi mesin; skrip berhenti sebelum pembagian hampir singular merusak jejak. Untuk gradien tetap pada koordinat kedua berlaku y+=(12.5)y=1.5yy^+=(1-2.5)y=-1.5y, jadi magnitudonya tumbuh geometrik.

Untuk arah gradien d=gd=-g, kita memiliki gd=g2<0g^\top d=-\|g\|^2<0. Karena FF diferensiabel, terdapat α>0\bar\alpha>0 sehingga setiap 0<αα0<\alpha\leq\bar\alpha memenuhi Armijo; pencarian balik dengan faktor dalam (0,1)(0,1) karena itu berhenti dalam banyak langkah berhingga. Untuk arah Newton terkoreksi, konstruksi Bkμ_IB_k\succeq\underline\mu I memberi gkdk=gkBk1gkgk2λmax(Bk)<0.g_k^\top d_k=-g_k^\top B_k^{-1}g_k \leq-\frac{\|g_k\|^2}{\lambda_{\max}(B_k)}<0. Maka argumen pencarian balik yang sama berlaku. Sertifikat program memeriksa langsung batas eigenvalue, tanda turunan arah, semua penerimaan Armijo, monotonisitas objektif, dan norma gradien akhir. Sebaliknya, metode yang tidak diglobalisasi diwajibkan memperlihatkan kenaikan atau ledakan yang telah ditentukan; dengan demikian jalur gagal merupakan bagian dari eksperimen.

Hak dan firewall O018.

Teks, soal, solusi, dan kode laboratorium ini ditulis mandiri untuk lapisan Original-03 dan tersedia berdasarkan CC BY-SA 4.0. Tidak ada prosa, soal, solusi, kode, atau susunan pedagogis O018 yang disalin atau diadaptasi; O018 tetap merupakan korpus terpisah.

Laboratorium 4: Sinkhorn log-domain dan sertifikat transportasi

Diberikan histogram positif ama\in\mathbb{R}^m, bnb\in\mathbb{R}^n dengan 𝟏a=𝟏b=1\mathbf{1}^\top a=\mathbf{1}^\top b=1 dan matriks biaya CC, masalah transportasi teratur-entropi yang dipakai di sini adalah minP𝟏=a,P𝟏=b,P0C,P+εijPij(logPij1).\begin{equation} \min_{P\mathbf{1}=a,\;P^\top\mathbf{1}=b,\;P\geq0} \langle C,P\rangle+\varepsilon\sum_{ij}P_{ij}(\log P_{ij}-1). \label{orig03:eq:sinkhorn-primal} \end{equation} Representasi langsung Kij=exp(Cij/ε)K_{ij}=\exp(-C_{ij}/\varepsilon) rentan underflow. Skrip labs/original-03/transportasi-entropik.py menyimpan potensial dual f,gf,g dan melakukan pembaruan dengan logsumexp. Kopling dibentuk hanya dari logPij=fi+gjCijε.\log P_{ij}=\frac{f_i+g_j-C_{ij}}{\varepsilon}.

Eksperimen utama memakai titik dan massa yang dihasilkan oleh seed tetap. Dua eksperimen ekuivalen kemudian dijalankan: (i) CC dan ε\varepsilon dikalikan faktor positif yang sama; (ii) konstanta besar ditambahkan ke semua entri CC. Transformasi pertama mempertahankan rasio biaya-entropi, sedangkan transformasi kedua menambah konstanta pada nilai objektif tanpa mengubah minimizer. Kasus kedua memaksa seluruh kernel naif menjadi nol, tetapi pembaruan log-domain tetap menghasilkan kopling yang sama.

Prompt

  1. Turunkan pembaruan bergantian bagi ff dan gg dari kendala marginal.

  2. Buktikan bentuk dual dan identitas celah primal-dual yang diperiksa skrip.

  3. Verifikasi dari CSV bahwa setiap entri kopling utama positif dan bahwa jumlah baris serta kolom cocok dengan aa dan bb dalam toleransi.

  4. Buktikan invariansi kopling ketika (C,ε)(C,\varepsilon) diganti dengan (sC,sε)(sC,s\varepsilon), s>0s>0.

  5. Jelaskan mengapa CC+γ𝟏𝟏C\mapsto C+\gamma\mathbf{1}\mathbf{1}^\top tidak mengubah kopling, lalu cocokkan dengan uji underflow terkontrol.

Petunjuk bertahap

  1. Ambil log dari persamaan Pij=exp((fi+gjCij)/ε)P_{ij}=\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon) dan selesaikan satu potensial ketika potensial lain dibekukan.

  2. Gunakan konjugat dari pεp(logp1)p\mapsto\varepsilon p(\log p-1), yaitu qεexp(q/ε)q\mapsto\varepsilon\exp(q/\varepsilon).

  3. Jangan menjumlahkan kernel naif pada uji stres; periksa penghitung nol dan residual hasil log-domain secara terpisah.

  4. Untuk penskalaan, pilih potensial baru (sf,sg)(sf,sg).

  5. Untuk penambahan konstanta, serap γ\gamma ke salah satu potensial.

Jawaban singkat

Pembaruan log-domain menormalkan satu marginal pada satu waktu tanpa pernah membentuk kernel kecil. Dualnya adalah maxf,gaf+bgεijexp((fi+gjCij)/ε).\max_{f,g}\ a^\top f+b^\top g- \varepsilon\sum_{ij}\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon). CSV dan JSON membuktikan residual marginal, positivitas numerik, kesepakatan primal-dual, invariansi penskalaan, invariansi pergeseran biaya, dan pemulihan dari kasus ketika kernel naif seluruhnya underflow.

Solusi acuan lengkap

Untuk gg tetap, kendala baris memberi ai=jexp((fi+gjCij)/ε),fi=ε[logaiLSEj((gjCij)/ε)].a_i=\sum_j\exp((f_i+g_j-C_{ij})/\varepsilon), \quad f_i=\varepsilon\left[\log a_i- \operatorname{LSE}_j((g_j-C_{ij})/\varepsilon)\right]. Rumus bagi gjg_j analog dari kendala kolom. Konjugasi entropi menghasilkan dual pada jawaban singkat. Jika PP dibentuk dari potensial, nilai primal p=C,P+εijPij(logPij1)p=\langle C,P\rangle+\varepsilon\sum_{ij}P_{ij}(\log P_{ij}-1) dan nilai dual d=af+bgεijPijd=a^\top f+b^\top g-\varepsilon\sum_{ij}P_{ij} berimpit pada optimum; program memeriksa |pd||p-d|.

Jika C=sCC'=sC dan ε=sε\varepsilon'=s\varepsilon, potensial f=sff'=sf, g=sgg'=sg memberi log-kopling yang persis sama. Jika C=C+γ𝟏𝟏C'=C+\gamma\mathbf{1}\mathbf{1}^\top, pilih f=f+γ𝟏f'=f+\gamma\mathbf{1} dan g=gg'=g; sekali lagi log-kopling tidak berubah. Namun kernel naif memuat faktor exp(γ/ε)\exp(-\gamma/\varepsilon) dan dapat menjadi nol pada aritmetika floating point. Potensial log-domain menyerap konstanta sebelum eksponensiasi akhir, sehingga residual marginal, positivitas kopling utama, dan kesepakatan dengan dua masalah ekuivalen tetap dapat diperiksa.

Hak dan firewall O018.

Teks, soal, solusi, dan kode ini merupakan material baru CC BY-SA 4.0. Tidak ada byte, prosa, latihan, solusi, kode, atau struktur instruksional O018 yang digunakan; peran laboratorium ini terbatas pada penutupan komputasional Original-03.

Proyek kapstone: masalah invers komposit yang tahan pencilan

Proyek ini menyatukan pemodelan konveks, gradien Lipschitz, operator proksimal, formulasi dual, pemisahan primal-dual, anggaran oracle, dan sertifikat a posteriori. Instans tetap dibentuk oleh labs/original-03/kapstone-invers-komposit.py: matriks A72×48A\in\mathbb{R}^{72\times48}, sinyal renggang xx^\natural, derau kecil, dan delapan pencilan besar. Modelnya minxΦ(x):=i=172hδ((Axb)i)+λx1,hδ(r)={12r2,|r|δ,δ(|r|12δ),|r|>δ.\begin{equation} \min_x\; \Phi(x):= \sum_{i=1}^{72}h_\delta((Ax-b)_i)+\lambda\|x\|_1, \qquad h_\delta(r)= \begin{cases} \frac12r^2,&|r|\leq\delta,\\ \delta(|r|-\frac12\delta),&|r|>\delta. \end{cases} \label{orig03:eq:capstone-model} \end{equation} FISTA dengan restart gradien dan PDHG dijalankan untuk jumlah iterasi yang sama. Setiap iterasi inti masing-masing memakai satu aplikasi AA dan satu aplikasi AA^\top, sehingga perbandingan memakai anggaran operator yang sama. Jejak CSV mencatat objektif, batas bawah dual layak, celah tersertifikasi, dan galat rekonstruksi. SVG hanya merupakan visualisasi jejak tersebut.

Prompt

Selesaikan tujuh tonggak berikut dan serahkan uraian matematis bersama JSON, CSV, serta SVG yang dihasilkan tanpa perubahan konfigurasi.

  1. Instans dan pencilan. Rekonstruksi instans dari seed, verifikasi ukuran, support sinyal, dan delapan indeks pencilan.

  2. Model konveks. Buktikan kekonveksan [orig03:eq:capstone-model] dan jelaskan mengapa Huber lebih tahan pencilan daripada kuadrat murni.

  3. Bagian mulus. Turunkan gradien Aclip(Axb,δ,δ)A^\top\operatorname{clip}(Ax-b,-\delta,\delta) dan batas Lipschitz L=A22L=\|A\|_2^2.

  4. Langkah proksimal. Turunkan soft-threshold bagi λx1\lambda\|x\|_1 dan tulis iterasi FISTA yang dipakai.

  5. Dual dan PDHG. Turunkan konjugat Huber, kendala dual, serta pembaruan PDHG; buktikan τσA22<1\tau\sigma\|A\|_2^2<1.

  6. Anggaran sepadan. Bandingkan kedua metode pada jumlah perkalian matriks-vektor yang sama, bukan pada waktu dinding.

  7. Sertifikat dan interpretasi. Verifikasi kelayakan dual, celah primal-dual, pemetaan gradien proksimal, dan perbaikan terhadap least squares; nyatakan juga apa yang tidak dibuktikan eksperimen ini.

Petunjuk bertahap

  1. Hash matriks dan data dalam JSON adalah identitas instans, bukan pengganti pemeriksaan ukuran dan seed.

  2. Turunan Huber adalah proyeksi skalar ke [δ,δ][-\delta,\delta] dan bersifat satu-Lipschitz.

  3. Komposisi dengan AA mengalikan konstanta Lipschitz oleh A22\|A\|_2^2.

  4. Gunakan proxtλ1(v)=sign(v)(|v|tλ)+\operatorname{prox}_{t\lambda\|\cdot\|_1}(v) =\operatorname{sign}(v)(|v|-t\lambda)_+.

  5. Konjugat Huber adalah 12u2+ι[δ,δ](u)\frac12u^2+\iota_{[-\delta,\delta]}(u); konjugat norma satu menghasilkan kendala Auλ\|A^\top u\|_\infty\leq\lambda.

  6. Kolom matrix_vector_products adalah sumbu perbandingan yang benar.

  7. Skala kandidat dual bila perlu untuk memperoleh batas bawah yang benar-benar layak sebelum menghitung celah.

Jawaban singkat

Model adalah jumlah fungsi konveks. Bagian Huber mulus memiliki gradien LL-Lipschitz dengan L=A22L=\|A\|_2^2, dan bagian norma satu memiliki proksimal soft-threshold. Dualnya memaksimalkan bu12u2denganuδ,Auλ.-b^\top u-\frac12\|u\|^2 \quad\text{dengan}\quad \|u\|_\infty\leq\delta, \quad \|A^\top u\|_\infty\leq\lambda. FISTA dan PDHG mencapai objektif yang cocok pada anggaran operator sama; batas dual layak memberi celah terukur, dan kedua rekonstruksi mengungguli least squares pada instans berpencilan yang dibekukan.

Solusi acuan lengkap

Karena hδh_\delta dan norma satu konveks, komposisi afin dan penjumlahan mempertahankan kekonveksan. Turunan Huber adalah hδ(r)=clip(r,δ,δ)h_\delta'(r)=\operatorname{clip}(r,-\delta,\delta). Proyeksi ini satu-Lipschitz, sehingga f(x)f(y)A22xy.\|\nabla f(x)-\nabla f(y)\| \leq\|A\|_2^2\|x-y\|. Langkah t<1/Lt<1/L yang dibekukan karena itu sah. Optimalisasi proksimal skalar memberi soft-threshold, lalu ekstrapolasi Nesterov menghasilkan FISTA; restart gradien memakai vektor yang sudah tersedia tanpa mengubah dua aplikasi operator inti per iterasi.

Dari hδ*(u)=12u2+ι[δ,δ](u)h_\delta^*(u)=\frac12u^2+\iota_{[-\delta,\delta]}(u) dan (λ1)*(v)=ι{vλ}(v)(\lambda\|\cdot\|_1)^*(v)=\iota_{\{\|v\|_\infty\leq\lambda\}}(v), dual yang tertulis pada jawaban singkat mengikuti melalui Fenchel–Rockafellar. Proksimal hδ*h_\delta^* adalah pembagian oleh 1+σ1+\sigma diikuti kliping ke [δ,δ][-\delta,\delta]; proksimal primal tetap soft-threshold. Pilihan τ=σ=0.99/A2\tau=\sigma=0.99/\|A\|_2 memberi τσA22=0.992<1\tau\sigma\|A\|_2^2=0.99^2<1.

Pada iterasi berhingga, kandidat dual dapat melanggar kendala kedua sedikit. Penskalaan û=ρu,ρ=min{1,λAu}\widehat u=\rho u, \qquad \rho=\min\left\{1, \frac{\lambda}{\|A^\top u\|_\infty}\right\} mempertahankan kendala kotak dan memastikan kelayakan. Nilai dual bûû2/2-b^\top\widehat u-\|\widehat u\|^2/2 menjadi batas bawah rigor bagi objektif primal. Program menguji kelayakan, celah terhadap batas terbaik, norma pemetaan gradien proksimal FISTA, kesamaan anggaran, kedekatan kedua objektif, dan galat rekonstruksi terhadap baseline least squares. Bukti ini berlaku untuk instans dan toleransi yang dinyatakan; ia tidak mengklaim bahwa parameter yang sama optimal bagi semua masalah invers atau semua pola pencilan.

Hak dan firewall O018.

Proyek, bukti, soal, solusi, kode, dan instans sintetik ini ditulis mandiri dan tersedia berdasarkan CC BY-SA 4.0. Tidak ada materi O018 yang disalin, diadaptasi, atau dijadikan templat tersembunyi; O018 tetap terpisah dari lapisan penutupan Original-03.

Beck, Amir. 2017. First-Order Methods in Optimization. SIAM.
Chambolle, Antonin, dan Thomas Pock. 2011. “A First-Order Primal-Dual Algorithm for Convex Problems with Applications to Imaging.” Journal of Mathematical Imaging and Vision 40 (1): 120–45.
Villani, Cédric. 2009. Optimal Transport: Old and New. Vol. 338. Grundlehren der mathematischen Wissenschaften. Springer Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-71050-9.

  1. Secara tepat, fungsi-fungsi diidentifikasi apabila sama hampir di mana-mana. Norma LL^\infty adalah supremum esensial, f=infNΩ|N|=0supxΩ\N|f(x)|\|f\|_\infty=\inf_{\substack{N\subset\Omega\\|N|=0}} \sup_{x\in\Omega\setminus N}|f(x)|. Rincian teori ukuran ini tidak diperlukan dalam kuliah ini.↩︎

  2. pp dan qq disebut eksponen konjugat Hölder.↩︎

  3. Secara informal: keduanya mempunyai struktur yang sama.↩︎

  4. Asumsi dimensi hingga menyediakan kekompakan sekuensial yang dipakai bukti ini. Generalisasi ke dimensi tak hingga memerlukan hipotesis tambahan, misalnya refleksivitas dan semikontinuitas bawah lemah; ketiga asumsi yang ditampilkan saja tidak cukup.↩︎

  5. Sebagai latihan: mengapa barisan seperti ini selalu ada?↩︎

  6. Pracitra terdefinisi dengan baik juga untuk pemetaan yang tidak invertibel.↩︎

  7. yakni batas CC↩︎

  8. Tanda minus pada α-\alpha dipilih untuk memudahkan perhitungan.↩︎

  9. Formulasi ini memakai ff yang terdefinisi pada seluruh VV, termasuk di luar CC.↩︎

  10. Artinya, CC memenuhi definisi ruang vektor.↩︎

  11. Batas ini dikenakan pada subgradien yang benar-benar dipilih oleh algoritma; batas tersebut tidak disimpulkan hanya dari sifat Lipschitz relatif pada CC.↩︎

  12. Di sini kekonveksan telah ditunjukkan secara langsung. Rincian untuk lsc ditinggalkan sebagai latihan.↩︎

  13. Ketika topologi dibutuhkan, keduanya akan diasumsikan sebagai ruang Polish dengan aljabar-σ\sigma Borel; yaitu, ruang topologis separabel yang topologinya dibangkitkan oleh suatu metrik lengkap.↩︎

  14. Secara khusus, ΣX\Sigma_X memuat himpunan kosong serta tertutup terhadap komplemen dan gabungan terhitung.↩︎

  15. Hal ini khususnya menyiratkan bahwa β\beta tidak mempunyai massa titik.↩︎