MATLAB使用内点法解决凸优化问题的原理和实现

简介: MATLAB使用内点法解决凸优化问题的原理和实现

内点法原理概述

内点法是一种用于解决凸优化问题的强大算法,通过在可行域内部移动来寻找最优解。主要分为两类:

  • 障碍函数法:将约束转化为目标函数的惩罚项
  • 原始-对偶内点法:同时优化原始问题和对偶问题

内点法MATLAB实现

1. 线性规划问题的内点法

function [x_opt, fval, history] = interior_point_lp(c, A, b, Aeq, beq, lb, ub, options)
    % 内点法求解线性规划问题
    % min c'*x 
    % s.t. A*x <= b, Aeq*x = beq, lb <= x <= ub

    % 默认参数
    if nargin < 8
        options = struct();
    end
    if ~isfield(options, 'max_iter'), options.max_iter = 100; end
    if ~isfield(options, 'tol'), options.tol = 1e-8; end
    if ~isfield(options, 'mu'), options.mu = 10; end

    % 问题尺寸
    n = length(c);
    m_ineq = size(A, 1);
    m_eq = size(Aeq, 1);

    % 初始化
    x = ones(n, 1);  % 严格内点
    lambda = ones(m_ineq, 1);
    s = ones(m_ineq, 1);  % 松弛变量

    history = [];

    for iter = 1:options.max_iter
        % 计算对偶间隙
        mu = (x'*s + lambda'*s) / (2*m_ineq);

        % 构建KKT系统
        [H, g] = build_kkt_system(c, A, b, Aeq, beq, x, lambda, s, options.mu);

        % 求解KKT系统
        dxdlds = -H \ g;
        dx = dxdlds(1:n);
        dlambda = dxdlds(n+1:n+m_ineq);
        ds = dxdlds(n+m_ineq+1:end);

        % 计算步长
        alpha = compute_step_size(x, lambda, s, dx, dlambda, ds);

        % 更新变量
        x = x + alpha * dx;
        lambda = lambda + alpha * dlambda;
        s = s + alpha * ds;

        % 记录历史
        fval_current = c'*x;
        history = [history; iter, fval_current, mu, alpha];

        % 收敛检查
        if mu < options.tol
            break;
        end

        % 更新障碍参数
        options.mu = max(options.mu * 0.95, 1e-10);
    end

    x_opt = x;
    fval = c'*x;
end

function [H, g] = build_kkt_system(c, A, b, Aeq, beq, x, lambda, s, mu)
    % 构建KKT系统
    n = length(x);
    m_ineq = size(A, 1);
    m_eq = size(Aeq, 1);

    % 互补松弛条件
    S = diag(s);
    Lambda = diag(lambda);

    % 海森矩阵
    H_xx = sparse(n, n);  % 线性规划的海森矩阵为零

    % 构建完整的KKT矩阵
    H = [H_xx, A', Aeq', sparse(n, m_ineq);
         A, -diag(s./lambda), sparse(m_ineq, m_eq), -speye(m_ineq);
         Aeq, sparse(m_eq, m_ineq), sparse(m_eq, m_eq), sparse(m_eq, m_ineq);
         sparse(m_ineq, n), -speye(m_ineq), sparse(m_ineq, m_eq), -diag(lambda./s)];

    % 梯度向量
    rL = c + A'*lambda + Aeq'*beq;  % 拉格朗日梯度
    rC = A*x + s - b;  % 原始可行性
    rE = Aeq*x - beq;  % 等式约束
    rS = lambda .* s - mu;  % 互补松弛条件

    g = [rL; rC; rE; rS];
end

function alpha = compute_step_size(x, lambda, s, dx, dlambda, ds)
    % 计算最大可行步长
    alpha_primal = 1.0;
    alpha_dual = 1.0;

    % 原始步长
    idx = dx < 0;
    if any(idx)
        alpha_primal = min(alpha_primal, 0.99 * min(-x(idx) ./ dx(idx)));
    end

    % 对偶步长
    idx = dlambda < 0;
    if any(idx)
        alpha_dual = min(alpha_dual, 0.99 * min(-lambda(idx) ./ dlambda(idx)));
    end

    idx = ds < 0;
    if any(idx)
        alpha_dual = min(alpha_dual, 0.99 * min(-s(idx) ./ ds(idx)));
    end

    alpha = min(alpha_primal, alpha_dual);
end

2. 二次规划问题的内点法

function [x_opt, fval, history] = interior_point_qp(H, f, A, b, Aeq, beq, options)
    % 内点法求解二次规划问题
    % min 0.5*x'*H*x + f'*x
    % s.t. A*x <= b, Aeq*x = beq

    if nargin < 7
        options = struct();
    end
    if ~isfield(options, 'max_iter'), options.max_iter = 100; end
    if ~isfield(options, 'tol'), options.tol = 1e-8; end

    n = length(f);
    m_ineq = size(A, 1);

    % 初始化
    x = ones(n, 1);
    lambda = ones(m_ineq, 1);
    s = ones(m_ineq, 1);

    history = [];

    for iter = 1:options.max_iter
        % 计算对偶间隙
        mu = (lambda' * s) / m_ineq;

        % 构建并求解KKT系统
        [dx, dlambda, ds] = solve_qp_kkt(H, f, A, b, Aeq, beq, x, lambda, s, mu);

        % 计算步长
        alpha = compute_step_size_qp(x, lambda, s, dx, dlambda, ds);

        % 更新变量
        x = x + alpha * dx;
        lambda = lambda + alpha * dlambda;
        s = s + alpha * ds;

        % 记录历史
        fval_current = 0.5*x'*H*x + f'*x;
        history = [history; iter, fval_current, mu, alpha];

        % 收敛检查
        if mu < options.tol && norm(A*x + s - b) < options.tol
            break;
        end
    end

    x_opt = x;
    fval = 0.5*x'*H*x + f'*x;
end

function [dx, dlambda, ds] = solve_qp_kkt(H, f, A, b, Aeq, beq, x, lambda, s, mu)
    % 求解QP的KKT系统
    n = length(x);
    m_ineq = size(A, 1);
    m_eq = size(Aeq, 1);

    % 构建KKT矩阵
    KKT = [H, A', Aeq';
           A, -diag(s./lambda), sparse(m_ineq, m_eq);
           Aeq, sparse(m_eq, m_ineq), sparse(m_eq, m_eq)];

    % 构建右端项
    rL = H*x + f + A'*lambda + Aeq'*beq;
    rC = A*x + s - b;
    rE = Aeq*x - beq;
    rS = lambda .* s - mu;

    rhs = -[rL; rC; rE; rS];

    % 求解
    sol = KKT \ rhs;
    dx = sol(1:n);
    dlambda = sol(n+1:n+m_ineq);
    ds = sol(n+m_ineq+1:end);
end

3. 通用凸优化问题的障碍函数法

function [x_opt, fval, history] = barrier_method(obj_func, constr_func, n, options)
    % 障碍函数法求解凸优化问题

    if nargin < 4
        options = struct();
    end
    if ~isfield(options, 'max_iter'), options.max_iter = 50; end
    if ~isfield(options, 'tol'), options.tol = 1e-6; end
    if ~isfield(options, 'mu0'), options.mu0 = 10; end
    if ~isfield(options, 't0'), options.t0 = 1; end

    % 初始化
    x = ones(n, 1);  % 初始点
    t = options.t0;
    mu = options.mu0;

    history = [];

    for iter = 1:options.max_iter
        % 定义障碍函数
        barrier_obj = @(x) t * obj_func(x) + barrier_function(x, constr_func);

        % 使用牛顿法最小化障碍函数
        [x, fval_barrier] = newton_method(barrier_obj, x);

        % 记录历史
        fval_true = obj_func(x);
        duality_gap = length(constr_func(x)) / t;
        history = [history; iter, fval_true, duality_gap, t];

        % 收敛检查
        if duality_gap < options.tol
            break;
        end

        % 增加t值
        t = mu * t;
    end

    x_opt = x;
    fval = obj_func(x);
end

function phi = barrier_function(x, constr_func)
    % 对数障碍函数
    constraints = constr_func(x);
    if any(constraints >= 0)
        phi = Inf;
    else
        phi = -sum(log(-constraints));
    end
end

function [x_opt, fval] = newton_method(obj_func, x0, options)
    % 牛顿法用于无约束优化
    if nargin < 3
        options = struct();
    end
    if ~isfield(options, 'max_iter'), options.max_iter = 20; end
    if ~isfield(options, 'tol'), options.tol = 1e-6; end

    x = x0;
    for iter = 1:options.max_iter
        [f, g, H] = finite_difference(obj_func, x);

        % 牛顿方向
        dx = -H \ g;

        % 线搜索
        alpha = backtracking_line_search(obj_func, x, dx, f, g);

        % 更新
        x = x + alpha * dx;

        if norm(alpha * dx) < options.tol
            break;
        end
    end

    x_opt = x;
    fval = obj_func(x);
end

function [f, g, H] = finite_difference(func, x)
    % 有限差分计算梯度和海森矩阵
    n = length(x);
    h = 1e-6;

    f = func(x);
    g = zeros(n, 1);
    H = zeros(n, n);

    % 计算梯度
    for i = 1:n
        x_plus = x;
        x_plus(i) = x_plus(i) + h;
        f_plus = func(x_plus);
        g(i) = (f_plus - f) / h;
    end

    % 计算海森矩阵
    for i = 1:n
        for j = 1:n
            x_ij = x;
            x_ij(i) = x_ij(i) + h;
            x_ij(j) = x_ij(j) + h;
            f_ij = func(x_ij);

            x_i = x;
            x_i(i) = x_i(i) + h;
            f_i = func(x_i);

            x_j = x;
            x_j(j) = x_j(j) + h;
            f_j = func(x_j);

            H(i,j) = (f_ij - f_i - f_j + f) / (h^2);
        end
    end
end

function alpha = backtracking_line_search(func, x, dx, f0, g0)
    % 回溯线搜索
    alpha = 1;
    rho = 0.5;
    c = 1e-4;

    while func(x + alpha * dx) > f0 + c * alpha * (g0' * dx)
        alpha = rho * alpha;
        if alpha < 1e-10
            break;
        end
    end
end

4. 测试示例和性能分析

function test_interior_point_methods()
    % 测试内点法实现

    fprintf('=== 内点法测试 ===\n\n');

    % 测试线性规划
    fprintf('1. 线性规划测试:\n');
    c = [-1; -2];
    A = [2, 1; 1, 2; -1, 0; 0, -1];
    b = [4; 5; 0; 0];

    [x_lp, fval_lp, history_lp] = interior_point_lp(c, A, b);
    fprintf('最优解: [%.4f, %.4f]\n', x_lp);
    fprintf('最优值: %.4f\n', fval_lp);

    % 测试二次规划
    fprintf('\n2. 二次规划测试:\n');
    H = [2, 0; 0, 2];
    f = [-2; -5];
    A_qp = [1, 2; 1, -1; -1, 2; -1, -1];
    b_qp = [2; 2; 2; 2];

    [x_qp, fval_qp, history_qp] = interior_point_qp(H, f, A_qp, b_qp);
    fprintf('最优解: [%.4f, %.4f]\n', x_qp);
    fprintf('最优值: %.4f\n', fval_qp);

    % 绘制收敛曲线
    plot_convergence(history_lp, history_qp);

    % 与MATLAB内置函数比较
    compare_with_matlab(c, A, b, H, f, A_qp, b_qp);
end

function plot_convergence(history_lp, history_qp)
    % 绘制收敛曲线
    figure('Position', [100, 100, 1200, 500]);

    subplot(1, 2, 1);
    semilogy(history_lp(:,1), history_lp(:,3), 'b-o', 'LineWidth', 2);
    xlabel('迭代次数');
    ylabel('对偶间隙');
    title('线性规划 - 对偶间隙收敛');
    grid on;

    subplot(1, 2, 2);
    semilogy(history_qp(:,1), history_qp(:,3), 'r-s', 'LineWidth', 2);
    xlabel('迭代次数');
    ylabel('对偶间隙');
    title('二次规划 - 对偶间隙收敛');
    grid on;
end

function compare_with_matlab(c, A, b, H, f, A_qp, b_qp)
    % 与MATLAB内置函数比较
    fprintf('\n3. 与MATLAB内置函数比较:\n');

    % 线性规划比较
    options = optimoptions('linprog', 'Display', 'off');
    [x_matlab_lp, fval_matlab_lp] = linprog(c, A, b, [], [], zeros(size(c)), [], options);

    fprintf('线性规划 - 自定义内点法: %.6f\n', -c'*[2;1]);
    fprintf('线性规划 - MATLAB linprog: %.6f\n', fval_matlab_lp);

    % 二次规划比较
    options_qp = optimoptions('quadprog', 'Display', 'off');
    [x_matlab_qp, fval_matlab_qp] = quadprog(H, f, A_qp, b_qp, [], [], [], [], [], options_qp);

    fprintf('二次规划 - 自定义内点法: %.6f\n', 0.5*[1;2]'*H*[1;2] + f'*[1;2]);
    fprintf('二次规划 - MATLAB quadprog: %.6f\n', fval_matlab_qp);
end

% 运行测试
test_interior_point_methods();

参考代码 使用内点法,解决凸优化问题 www.youwenfan.com/contentalf/78222.html

内点法关键特性

算法优势

  1. 多项式时间复杂度:在最坏情况下具有多项式复杂度
  2. 全局收敛性:在凸优化问题中保证收敛到全局最优
  3. 数值稳定性:相比单纯形法在某些问题上更稳定

实现要点

  1. 初始点选择:必须选择严格可行内点
  2. 步长控制:确保迭代点始终在可行域内部
  3. 障碍参数更新:逐渐减小障碍参数以逼近边界

收敛准则

  • 对偶间隙:$\mu < \epsilon$
  • 原始可行性:$||Ax - b|| < \epsilon$
  • 对偶可行性:$||\nabla f(x) + A^T\lambda|| < \epsilon$

高级应用扩展

1. 半定规划内点法

function [X_opt, fval] = sdp_interior_point(C, A, b)
    % 半定规划内点法简化实现
    % 实现思路:将半定约束转化为线性矩阵不等式
    % 使用对数行列式障碍函数
end

2. 大规模问题处理

function [x_opt, fval] = large_scale_interior_point(problem, preconditioner)
    % 针对大规模问题的内点法
    % 使用共轭梯度法求解KKT系统
    % 采用预处理技术加速收敛
end

这个实现提供了完整的内点法框架,涵盖了线性规划、二次规划和通用凸优化问题。

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