Giao diện
Rất nhiều đại lượng ta muốn tối ưu là một tỉ số: Chi phí trên mỗi đơn vị sản phẩm, lợi nhuận trên vốn bỏ ra, khoảng cách tới nơi cần phục vụ so với khoảng cách tới nguồn gây nhiễu. Tỉ số hiếm khi là . Thế nhưng ở nhiều tỉ số, tập các phương án đạt một mức cho trước, chẳng hạn mọi vị trí có tỉ số khoảng cách không quá 0.3, lại là một . Những hàm có tính chất này được gọi là hàm tựa lồi.
Bài giảng này tập trung giải quyết hai câu hỏi nền tảng: Hàm tựa lồi giữ lại được những đặc tính nào của và mất đi những gì? Và nếu chỉ biết mọi tập mức dưới đều lồi, ta có thể tìm nghiệm tối ưu một cách tin cậy và chính xác hay không? Câu trả lời là hoàn toàn có thể, bằng một thuật toán rất trực quan: Thay vì cực tiểu trực tiếp, ta kiểm tra liên tục câu hỏi "có phương án nào đạt mức
1. Định nghĩa và ví dụ
Một hàm
đều là . Hàm
Trên trục số, tập mức dưới lồi nghĩa là một khoảng, nên hàm tựa lồi liên tục trên
trên là hàm lõm, nhưng tựa tuyến tính, vì mọi tập mức đều là khoảng. - Phần nguyên trên
không liên tục, nhưng tựa tuyến tính vì đơn điệu. trên đơn điệu nên tựa tuyến tính, dù không lồi cũng không lõm. - Hàm phân tuyến tính
trên miền tựa tuyến tính. Tập mức dưới mức gồm các điểm thỏa đồng thời và , tức giao của một nửa không gian mở và một nửa không gian đóng. - Tích
trên không lồi cũng không lõm, nhưng tựa lõm, vì tập với là vùng nằm trên một nhánh hyperbol, một . - Tỉ số khoảng cách
tựa lồi trên nửa không gian gồm các điểm gần hơn . Mục 3 sẽ cho thấy tập mức dưới của nó là những hình cầu.
Tính tựa lồi có một dạng bất đẳng thức Jensen tương ứng: Hàm
Giá trị trên một đoạn thẳng không vượt quá giá trị lớn hơn ở hai đầu mút. So với , vế phải là giá trị lớn nhất chứ không phải trung bình có trọng số, nên điều kiện yếu hơn hẳn.
2. Những điều không còn đúng
Ba tính chất quen thuộc của mất đi khi chuyển sang hàm tựa lồi, và cả ba đều quan trọng khi thiết kế thuật toán.
Đạo hàm bằng 0 không còn đủ. Hàm
Cực tiểu cục bộ có thể không toàn cục. Một hàm tựa lồi có thể có một đoạn nằm ngang trên phần đang giảm của nó. Mọi điểm bên trong đoạn ấy là cực tiểu cục bộ, vì hàm không đổi quanh đó, nhưng hàm còn giảm tiếp ở phía sau. Chủ đề cực tiểu cục bộ và toàn cục của Lecture 01 đã đưa ra một ví dụ như thế. Định lý "cục bộ là toàn cục" là đặc quyền của bài toán lồi.
Tổng không còn giữ tính chất. Hàm
Một số phép toán vẫn giữ được tính tựa lồi. Giá trị lớn nhất có trọng số không âm của các hàm tựa lồi là tựa lồi, vì tập mức dưới của nó là giao các tập mức dưới. Hợp
3. Biểu diễn tập mức bằng một họ hàm lồi
Để giải bài toán, ta cần mô tả tập mức dưới của
và với mỗi
Trường hợp quan trọng nhất là tỉ số của một và một hàm lõm. Giả sử
Hàm
Tỉ số khoảng cách cần một họ khác, vì
Phép bình phương hợp lệ vì cả hai vế không âm. Hàm
Hàm tỉ số này thật sự không lồi. Đi dọc một tia xuất phát từ
4. Phương pháp chia đôi
Gọi
Đây là một bài toán khả thi lồi. Nếu nó có nghiệm thì
Thuật toán chia đôi. Cho
và sai số . Lặp lại: Đặt , giải bài toán khả thi tại mức . Nếu khả thi, đặt , nếu không, đặt . Dừng khi .
Khoảng
Hãy áp dụng cho một ví dụ cụ thể: Cần đặt một bộ phát tín hiệu trong vùng
Giá trị đúng là
Chia đôi khoảng chứa giá trị tối ưu
Cần đặt một bộ phát trong vùng tô tím X sao cho tỉ số giữa khoảng cách tới người dùng A và khoảng cách tới nguồn nhiễu B nhỏ nhất. Các điểm có tỉ số không quá t lấp đầy một hình tròn, và câu hỏi "hình tròn có chạm X không" là một bài toán khả thi lồi.
vùng được phép Xphần của X có tỉ số ≤ thình tròn không chạm Xranh giới x₁ = 2
Khoảng hiện tại [l, u] = [0.0000, 1.0000], độ dài 1.0000, sau 0 lần kiểm tra.
Hình tròn ở mức t = 0.5000 có tâm (−1.333, 0) và bán kính 2.667.
Hình tròn chạm X: có vị trí khả thi với tỉ số không quá t, nên p* ≤ t.
Gợi ý thao tác
- Bấm kiểm tra từng lần. Mỗi lần, khoảng [l, u] mất một nửa. Hai lần đầu, t = 0.5 rồi t = 0.25, cho kết luận gì?
- Bật chế độ tự chọn t và kéo từ nhỏ đến lớn. Hình tròn lớn dần và dịch sang trái thế nào, và nó chạm X đầu tiên ở đâu?
- Ở mức vừa đủ để chạm, hình tròn tiếp xúc với cạnh dưới của X. Tâm và bán kính của nó khi đó là bao nhiêu?
- Kéo t gần 1. Vì sao hình tròn phình ra rất nhanh, và điều đó nói gì về hình dạng của hàm f ở xa A và B?
Điều đáng chú ý là thuật toán không bao giờ tính giá trị hay đạo hàm của
5. Điều kiện tối ưu bậc nhất cho bài toán tựa lồi
Với hàm mục tiêu tựa lồi khả vi trên lồi
thì
6. Những câu hỏi để đào sâu
Câu 1. Hàm
Xem lời giải thích
Không. Với
Câu 2. Trong phương pháp chia đôi, nếu bộ giải bài toán khả thi đôi khi trả lời sai, chẳng hạn vì sai số số học khi hình tròn chỉ vừa chạm , thì điều gì xảy ra?
Xem lời giải thích
Một câu trả lời sai đẩy khoảng
Câu 3. Không phải tỉ số nào cũng chỉ dừng ở mức tựa lồi. Hãy chứng minh rằng chi phí trung bình
Xem lời giải thích
Ta biểu diễn tử số thành bình phương chuẩn của một vector phụ thuộc affine vào
Câu 4. Hàm phân tuyến tính vừa tựa lồi vừa tựa lõm. Như vậy bài toán cực đại một hàm phân tuyến tính trên đa diện có dễ không?
Xem lời giải thích
Có. Cực đại
Câu 5. Xét hàm mục tiêu phân tuyến tính
Xem lời giải thích
Đề xuất đúng ở chỗ: Với
7. Bài tập tự luyện
Bài tập 1: Nhận diện hàm tựa lồi
Với mỗi hàm sau, hãy cho biết nó có tựa lồi trên miền đã cho không, và nếu có thì vì sao: (a)
Lời giải
(a) Tựa lồi, vì là tỉ số của không âm
Bài tập 2: Chia đôi bằng tay
Dùng phương pháp chia đôi cho bài toán cực tiểu
Gợi ý
Với
Lời giải
Bài toán khả thi tại mức
Bài tập 3: Số lần lặp
Biết
Lời giải
Số lần là
Tóm tắt
Hàm tựa lồi là hàm có mọi tập mức dưới lồi. Họ hàm này rộng hơn nhiều: Nó chứa logarit, các hàm đơn điệu, hàm phân tuyến tính, tỉ số của hàm lồi với hàm lõm và tỉ số khoảng cách. Đổi lại, ba tính chất quan trọng bị mất: Gradient bằng 0 không còn đủ, cực tiểu cục bộ có thể không toàn cục, và tổng của hai hàm tựa lồi có thể không tựa lồi.
Bài toán tựa lồi vẫn giải được một cách đáng tin cậy. Mô tả tập mức dưới bằng một họ
Tài liệu tham khảo
- Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, Cambridge University Press.