NJU 凸优化导论(9) 对偶（II）KKT条件+变形重构
https://www.lamda.nju.edu.cn/chengq/optfall24/slides/Lecture_9.pdf
目录
关于对偶的一些解释
1. Max-min characterization 最大最小准则
2. Saddle-point Interpretation 鞍点解释
3. Game interpretation 博弈论里的对偶
Optimality Conditions 最优条件
1. Certificate of Suboptimality and Stopping Criteria 次优性证明与停止准则
2. Complementary Slackness 互补松弛性
3. KKT Optimality Conditions
Ex.1
Ex.2
4. Solving the Primal Problem via the Dual 通过对偶解原问题
例1. Entropy Maximization 最大熵问题
例2. 等式约束与函数分配
5. Examples
5.1 引入新变量及相关等式约束
5.1.1 Unconstrained geometric program
5.1.2 Norm approximation problem
5.1.3不等式约束的几何规划
5.2 原目标函数的转换
5.3显式约束隐式化 纳入目标函数的定义域
6. Generalized inequalities 广义不等式
Ex.1
Ex.2
关于对偶的一些解释
1. Max-min characterization 最大最小准则
如果有f＞0 选取无穷大λ 上界就达到无穷； 如果所有 f≤0 取λ=0 结果即为f0
原问题
对偶问题
代入这两个 p*为上界的下界 以及 d*为下界的上界 可重写强弱对偶
2. Saddle-point Interpretation 鞍点解释
3. Game interpretation 博弈论里的对偶
玩家1选择w 玩家2 选择z 玩家1向玩家2支付
因此1想最小化 2想最大化
若玩家1先选 会预判到 玩家2会选择他选后的最优 即为上界
所以玩家1会选
交易为
若玩家2先手 则交易为
这个问题中 同一玩家 先动时一定比后动时收益更高，最优对偶的间隙gap即为先动优势。
但如果鞍点存在，先后动的最优一致，均为鞍点处。
回到之前的拉格朗日问题 即为玩家1选x 玩家2选λ，最优的x*对应p* 最优的λ*对应d*。
Optimality Conditions 最优条件
1. Certificate of Suboptimality and Stopping Criteria 次优性证明与停止准则
如果能找到一个原问题的可行解f0(x) 对偶问题的可行解g(λ,v) 可框定范围 g(λ,v) ≤ d *≤ p* ≤ f0(x)
可在迭代k次后 计算一下对偶间距 绝对误差 相对误差，帮助确定迭代的终止条件
2. Complementary Slackness 互补松弛性
强对偶成立时 原问题对偶问题最优值相等 下面两个≤ 都得取等
需要
由于每一项≤0 也就需要每个都=0 
也就有互补松弛性 其中一个>0 则有另一个=0
3. KKT Optimality Conditions
KKT条件是 非凸优化的必要条件（可推出） 特别地，是凸优化的充要条件
对于对偶间距为0的强对偶问题 若最优点为 
偏导数为0
可行条件
对偶条件
总偏导数为0
为什么对于凸优化充分：
对于凸优化而言，f是凸函数 h是仿射函数 偏导为0就可推出 L是全局最小值
对于一般优化 KKT（偏导为0）是MIN 的必要条件 ； 凸优化 KKT <=> MIN
Ex.1
是凸优化 因为没有不等式约束 KKT只有等式约束和偏导=0 两个条件
Ex.2
列出KKT条件 三个原先 一个对偶 一个总偏导
用其他量表示λ 消去λ
因为x*求和为1 就像把1体积的水倒入 底部高度为αi的容器 水位在1/v*
如果不用凸优化 偏导为
越小降低空间越大
每次调高偏导最小的x 最后结果即确定一个阈值（水位）阈值以下的
加到阈值
4. Solving the Primal Problem via the Dual 通过对偶解原问题
若对偶最优解(λ*,v*)存在，对应到 min L(x,λ*,v*) λ v先确定的前提下 x对应使L最小的取值
原问题可行，则对偶问题有最优解； 原问题无可行解，则对偶问题无界
四步：1.写出对偶问题 2.slater条件 是否强对偶 3.求解对偶问题 4.KKT 对偶问题对应原问题
例1. Entropy Maximization 最大熵问题
NJU 凸优化导论(8) Lagrange Dual 拉格朗日对偶-CSDN博客
之前在共轭函数 slater条件那里 两次提过这个例子（附近的知识点遗忘可以点上面链接复习一下）
满足弱版本的slater条件 不等式为仿射函数
求解对偶问题：对偶问题对v求导
再代入对偶问题
求解λ和v之后带入得x 
例2. 等式约束与函数分配
求解对偶函数得到v*
若f都是凸函数 则L也是凸函数 则目标x要最小化L L对x求偏导 得x*与v*的关系
5. 变形重构原问题 转换对偶
通过示例说明，对一个问题进行简单的等价重构，可能会得到截然不同的对偶问题
5.1 引入新变量及相关等式约束
没约束 写拉格朗日还是本身
由原来的无约束 添加变量写成有等式约束
拉格朗日形式为
否则下界就负无穷
所以总的对偶问题可以写成 
5.1.1 Unconstrained geometric program
原问题添加变量写成
对共轭形式求偏导 且要满足条件
用v消去y得到共轭函数 把共轭函数和条件对应定义域 得到对偶问题
5.1.2 Norm approximation problem
把仿射拿出来 改写成
代入范数的共轭得
仿射套函数 可改写为
否则x就可以使L到无穷小 每个f都写成共轭
故可以写作
5.1.3不等式约束的几何规划
我们
就变成
可代入上模版
利用这个 指数求和对数 exp-sum-log 的共轭
5.2 原目标函数的转换
把原问题的f0 用一个递增函数替换 使得结果不变 但使得对偶问题更好
一个方式的范数变换 是之前上面的 5.1.2 Norm approximation problem 但我们还可以
把二范数平方/2 使得更好求导
对y偏导得 
最后的对偶问题为
5.3显式约束隐式化 纳入目标函数的定义域
如果改写 把盒形约束放到 f0 中
v前的系数为 Av+c 因为要最小化 对于每个x 如果系数为正就取l 为负就取u
好处是 这个对偶最后是一个无约束问题
6. Generalized inequalities 广义不等式
广义的Slater条件 换成广义小于
Ex.1
Ex.2
Slater条件 
消掉λ 再代入
得
同样具有互补松弛性
同样的 Slater条件、KKT条件、互补松弛性 只是把不等式改成广义不等式