01. 최적화 이론 개요

Hamji·2024년 3월 19일

최적화 이론

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  • 걍 배운거 정리

최적화란? Optimization

Find an optimzation valiable that minimizes (or maximizes) an objective function possible given constraints(s)

  • 목적 함수를 최소화 혹은 최대화 하는 최적화 변수를 찾는 과정이라고 한다.
  • 이러저러한 역사 이야기는 skip...

Gauss's problem

mxini=1mAixbi2\underset{x}min \sum_{i=1}^{m}||A_ix-b_i||^2

위의 식을 아래의 식들로 표현

[A1xb1...Amxbm]2\begin{vmatrix} \begin{vmatrix} \begin{bmatrix} A_1x-b1 \\ . \\ . \\ . \\ A_mx-bm \end{bmatrix} \end{vmatrix} \end{vmatrix}^2

해당 문제들을 "least-squares" problem 이라한다고 한다.

아래의 특징을 지닌다

  • Closed-form solution: x=(ATA)1ATbx^* = (A^TA)^-1A^Tb
  • Efficient method to compute the solution (솔루션을 계산하기에 효과적인 메소드)

그래서 ...

  • Tired to translate an interested problem to a least-squares problem
  • However: Encountered many situations in which translation is not doable

Linear Program

  • WW2 때 나온 개념
  • to solve a military-related problem during WW2
  • Find Optimal planning of expenditures-returns of soldiers (지출-비용 문제)
  • No closed form solution for LP.

Recall definition

  • find optiomaztion variable that minimize (or maximize)
  • an objective function
  • possible given constraints(s)

Optimazation variable: xRdx \in R^d
Objective function: f(x)Rf(x) \in R
Inequality constraint: fi(x)0i    i=1,...,mf_i(x) \leq 0_i \ \ \ \ i=1, ..., m
Equality contraint: hi(x)=0    i=1,...,ph_i(x)=0 \ \ \ \ i=1,...,p

위의 정의를 아래의 식처럼 표현할 수 있다

x:=arg minf(x):fi(x)0,hi(x)=0x^* := \argmin f(x) : f_i(x) \leq 0, h_i(x)=0
p:=f(x)p^*:= f(x^*)

xx : Optimal point(?)
pp : Optimal value

Convex set

  • Definition : A set S is said to be convex if ...
  • 아래식 만족하면 convex set이다
    x,ySλx+(1λ)yS    λ[0,1]x,y \in S \Rightarrow \lambda x + (1-\lambda)y \in S \ \ \ \ \nabla \lambda \in [0,1]

  • 차원이 달라져도 표현은 같다.
    S=x:Axb0S={x:Ax-b \leq 0}

Convex function

  1. x,ydomf:     λ[0,1]x,y \in domf: \ \ \ \ \ \forall \lambda \in [0,1]
  2. $dom f convex set
  • convex means bowl-shaped

Concave

  • f(x)f(x) is concave if f(x)-f(x) is convex

Affine

  • f(x)f(x) is affine if it is convex & concave

Convex Optimazation

  • Object function is convex
  • the set induced by inequality constraints is convex
  • the set induced by equality constraints is convex
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