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        二階錐權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題的非精確非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法

        2021-09-01 08:40:04
        大學(xué)數(shù)學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:定義

        曾 榮

        (廣東東軟學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)院, 廣東 佛山528000)

        1 引 言

        考慮二階錐權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題(wSOCCP):給定權(quán)向量w∈,求向量x∈n使得

        x∈,s=F(x)∈,x°s=w,

        (1)

        近年來(lái),權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題的理論和算法研究已取得了一些成果[1-2].權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題可以被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)中,如Fisher市場(chǎng)均衡問(wèn)題,二次規(guī)劃和權(quán)中心問(wèn)題等都可以被轉(zhuǎn)化為權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題進(jìn)行求解.基于這些研究工作,二階錐上的權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題的求解方法也陸續(xù)受到關(guān)注[3-4].

        目前,許多算法已被用于求解各類(lèi)優(yōu)化問(wèn)題,如:共軛梯度法[5],內(nèi)點(diǎn)算法[1],非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法[6-7]等.其中,內(nèi)點(diǎn)算法最早被用于權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題的求解[1],但該算法要求初始點(diǎn)嚴(yán)格可行,因此在求解問(wèn)題時(shí)要找到這樣的初始點(diǎn)較為困難.非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法由于具有較好的收斂性和數(shù)值結(jié)果,近年來(lái)發(fā)展迅速[6-7].非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法不同于內(nèi)點(diǎn)算法,它能選擇任意點(diǎn)為初始點(diǎn),且迭代過(guò)程中不要求中間迭代點(diǎn)為可行內(nèi)點(diǎn),這些特點(diǎn)使得非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法比內(nèi)點(diǎn)算法更加便于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.本文運(yùn)用非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法求解二階錐權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題,并引入了非精確牛頓法.在適當(dāng)假設(shè)下,證明了該算法是全局收斂與局部二階收斂的.最后通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明了算法的有效性.

        2 預(yù)備知識(shí)

        對(duì)任意x=(x0,x1),s=(s0,s1)∈×n-1,與二階錐相伴的歐幾里得約當(dāng)代數(shù)定義為

        x°s=(xTs,x0s1+s0x1),

        易知Lxs=x°s.若x∈int,則Lx可逆.

        對(duì)任意x=(x0,x1)∈×n-1,令λi和u(i)(i=1,2)分別為x的譜值和對(duì)應(yīng)的譜向量,則稱(chēng)x=λ1u(1)+λ2u(2)為x的譜分解,其中

        ω∈n-1是‖ω‖=1的任意非零向量.由譜分解定義易知

        (ii)x∈? 0≤λ1≤λ2,x∈int? 0<λ1≤λ2;

        3 算法設(shè)計(jì)

        本文考慮含參數(shù)τ∈(0,4)的wSOCCP函數(shù)φτ,μ(x,s)∶n×n→n:

        (2)

        其中w∈為權(quán)向量.類(lèi)似文獻(xiàn)[2]中命題1易得φτ,0(x,s)=0?x∈,s∈,x°s=w.

        定理1令φτ,μ(x,s)由(2)定義,則有

        (i) 對(duì)任意μ∈,φτ,μ(x,s)在任意(x,s)∈n×n處全局Lipschitz連續(xù)且強(qiáng)半光滑,若μ>0,令則φτ,μ(x,s)連續(xù)可微,且對(duì)x和s的偏導(dǎo)數(shù)為

        (3)

        (ii)對(duì)任意(x,s)∈n×n有則φτ,μ(x,s)為φτ,0(x,s)的一個(gè)光滑函數(shù).

        證因?yàn)?/p>

        由(2)和文獻(xiàn)[8]中定理3.2易得到(i)和(ii)成立.

        對(duì)任意x=(x0,x1),s=(s0,s1)∈×n-1和w=(w0,w1)∈,由譜分解定義有

        λ(x,s)=min(λ1,λ2).

        (4)

        引理2令φτ,μ(x,s)由(2)定義,則對(duì)任意μ1,μ2>0和(x,s)∈n×n,有

        當(dāng)λ(x,s)>0時(shí)

        ‖φτ,μ1(x,s)-φτ,μ2(x,s)‖

        令z∶=(x,s)∈n×n,結(jié)合(2)定義

        (5)

        易知Hτ,0(z)=0? (x,s)為(1)的解.

        定理3令w∈,Hτ,μ(z)由(5)定義,則結(jié)合(3)有以下結(jié)論成立:

        (i)Hτ,μ(z)全局Lipschitz連續(xù)且強(qiáng)半光滑,若μ>0,對(duì)任意z∶=(x,s)∈n×n,Hτ,μ(z)連續(xù)可微其雅可比為

        (6)

        (ii) 若F(x)連續(xù)可微且單調(diào),則當(dāng)μ>0時(shí),H′τ,μ(z)可逆.

        證由定理1易知(i)成立.下面證明(ii)成立.對(duì)任意μ>0,令Δz=(Δx,Δs)∈n×n為H′τ,μ(z)零空間中任意向量,則只需證明Δz=0.由(6)有

        F′(x)Δx-Δs=0,

        (7)

        Bτ,μΔx+Dτ,μΔs=0.

        (8)

        因?yàn)镕(x)單調(diào),結(jié)合(7)知

        〈Δx,Δs〉=〈Δx,F(xiàn)′(x)Δx〉≥0.

        (9)

        將(8)兩邊同時(shí)乘Lc有

        (10)

        而由c定義知

        則根據(jù)文獻(xiàn)[9]中命題3.4知LcBτ,μ和LcDτ,μ可逆,將(10)兩側(cè)同乘ΔxT[LcDτ,μ]-1有

        ΔxT[LcDτ,μ]-1[LcBτ,μ]Δx+ΔxTΔs=0.

        結(jié)合(9)得到

        ΔxT[LcDτ,μ]-1[LcBτ,μ]Δx≤0.

        (11)

        又因?yàn)?/p>

        算法1(非精確非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法)

        步0 選取δ,σ,η∈(0,1),γ∈(0.5,1)和μ0>0,令z0=(x0,s0)∈n×n為任意初始點(diǎn),選取β使得且‖Hτ,μ0(z0)‖≤βμ0.置k∶=0.

        步1 若μk=0,停止.

        步2 若‖Hτ,μk(zk)‖=0,則zk+1∶=zk且θk∶=1,轉(zhuǎn)步4;否則,令Δzk∶=(Δxk,Δsk)∈n×n為下列方程的解

        H′τ,μk(zk)Δzk=-Hτ,μk(zk)+rk,

        (12)

        其中‖rk‖≤η‖Hτ,μk(zk)‖min{1,‖Hτ,μk(zk)‖}.

        步3 令θk=max{1,δ,δ2,…}使得

        ‖Hτ,μk(zk+θkΔzk)‖≤[1-σ(1-η)θk]‖Hτ,μk(zk)‖.

        (13)

        置zk+1∶=zk+θkΔzk.

        步4 置

        (14)

        令tk=min{1,γ,γ2,…}使得

        (15)

        注 算法可以取任意(μ0,x0,s0)∈++×n×n為初始點(diǎn),且

        定理4若函數(shù)F(x)是連續(xù)可微且單調(diào)的,則算法1適定.

        證由算法1知μk>0,而F(x)連續(xù)可微且單調(diào),則由定理3(ii)知H′τ,μk(zk)可逆.故步2適定.

        接著證步3適定.對(duì)任意θ∈(0,1],令

        g(θ)∶=Hτ,μk(zk+θΔzk)-Hτ,μk(zk)-θH′τ,μk(zk)Δzk.

        (16)

        因?yàn)棣蘫>0,由定理3(i)知Hτ,μk(zk)在zk處連續(xù)可微,故由(16)有‖g(θ)‖=o(θ).結(jié)合(12),(16)和

        ‖rk‖≤η‖Hτ,μk(zk)‖min{1,‖Hτ,μk(zk)‖}≤η‖Hτ,μk(zk)‖,

        對(duì)任意θ∈(0,1]有

        ‖Hτ,μk(zk+θΔzk)‖≤‖Hτ,μk(zk)+θH′τ,μk(zk)Δzk‖+‖g(θ)‖

        ≤‖(1-θ)Hτ,μk(zk)+θrk‖+‖g(θ)‖

        ≤(1-θ)‖Hτ,μk(zk)‖+θη‖Hτ,μk(zk)‖+o(θ)

        =[1-(1-η)θ]‖Hτ,μk(zk)‖+o(θ).

        最后證步4適定.當(dāng)Hτ,μk(zk)≠0時(shí),由(13)-(15)和引理2知

        (17)

        當(dāng)Hτ,μk(zk)=0時(shí),zk+1=zk,故Hτ,μk(zk+1)=Hτ,μk(zk)=0.由(17)和[1-σ(1-η)θk]βμk≥0知

        由算法1易得到下面的引理成立.此處省略不證.

        引理5設(shè)函數(shù)F(x)是連續(xù)可微且單調(diào)的,則

        (i) 對(duì)任意k≥0,序列{μk}單調(diào)遞減且μk>0;

        (ii) 對(duì)任意k≥0有‖Hτ,μk(zk)‖≤βμk.

        4 收斂性分析

        本節(jié)給出算法1的全局收斂性和局部二階收斂性分析.

        ‖Hτ,μk(zk+kΔzk)‖>[1-σ(1-η)k]‖Hτ,μk(zk)‖.

        又根據(jù)(12)可得

        ‖Hτ,μk(zk+kΔzk)‖=‖Hτ,μk(zk)+kH′τ,μk(zk)Δzk+g(k)‖=‖(1-k)Hτ,μk(zk)+krk+g(k)‖

        ≤(1-k)‖Hτ,μk(zk)‖+kη‖Hτ,μk(zk)‖+o(k)

        =[1-(1-η)k]‖Hτ,μk(zk)‖+o(k).

        (18)

        因此

        [1-σ(1-η)k]‖Hτ,μk(zk)‖≤[1-(1-η)k]‖Hτ,μk(zk)‖+o(k).

        (19)

        ‖Hτ,μ*(z*)‖=0.

        (20)

        另一方面,根據(jù)步4知‖Hτ,γμk+1(zk+1)‖>βγμk+1.令k→∞有

        ‖Hτ,γμ*(z*)‖≥βγμ*.

        (21)

        這與(20)矛盾.因此得到μ*=0.

        最后證z*為Hτ,0(z)=0的解.由引理5(ii)知‖Hτ,μk(zk)‖≤βμk,當(dāng)k→∞則有‖Hτ,0(z*)‖=‖Hτ,μ*(z*)‖≤βμ*,而μ*=0,故Hτ,0(z*)=0.定理得證.

        證對(duì)充分大的k,考慮下面兩種情形:

        故存在一個(gè)較小的ε>0,使得對(duì)充分大的k有λ(xk+1,sk+1)≥λ(x*,s*)-ε>0.由引理2得

        結(jié)合步4知

        (ii) 若Hτ,μk(zk)≠0,類(lèi)似(i)可以得到

        (22)

        下面證明對(duì)充分大的k有zk+1=zk+Δzk成立.由于對(duì)任意V∈?Hτ,μ*(z*)非奇異,則由文獻(xiàn)[10]中命題3.1,對(duì)充分大的k有‖H′τ,μk(zk)-1‖=O(1).因此結(jié)合步2易知

        ‖Δzk‖=‖H′τ,μk(zk)-1(-Hτ,μk(zk)+rk)‖≤(1+η)‖H′τ,μk(zk)-1‖‖Hτ,μk(zk)‖

        =O(‖Hτ,μk(zk)‖).

        (23)

        另外,根據(jù)定理3(i)得到Hτ,μk(·)在點(diǎn)zk+Δzk處強(qiáng)半光滑,即對(duì)充分大的k,

        ‖Hτ,μk(zk+Δzk)-Hτ,μk(zk)-H′τ,μk(zk)Δzk‖=O(‖Δzk‖2).

        (24)

        故由(12),(23)和(24),對(duì)充分大的k有

        ‖Hτ,μk(zk+Δzk)‖≤‖Hτ,μk(zk+Δzk)-Hτ,μk(zk)-H′τ,μk(zk)Δzk‖+‖rk‖

        ≤O(‖Δzk‖2)+η‖Hτ,μk(zk)‖min{1,‖Hτ,μk(zk)‖}

        ≤O(‖Hτ,μk(zk)‖2)+η‖Hτ,μk(zk)‖2=O(‖Hτ,μk(zk)‖2).

        (25)

        5 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

        本節(jié)給出一些數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法1的有效性.所有測(cè)試用Matlab(2018a)編程在Intel(R) Core(TM) i5-7300U CPU @2.60GHz 2.71 GHz 8GB內(nèi)存,Windows10專(zhuān)業(yè)版操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn).測(cè)試中隨機(jī)生成向量q∈n和矩陣D∈n×n,令M=DTD.給定權(quán)向量w=(1,0,…,0)T∈,求解線(xiàn)性wSOCCP:

        x∈,s=Mx+q∈,x°s=w.

        選擇x0=s0=(1,1,…,1)T∈n作為初始點(diǎn).算法1中參數(shù)取值為

        另外,當(dāng)μ≤10-6時(shí)算法1停止迭代.表1給出了取不同參數(shù)τ時(shí),算法1求解線(xiàn)性wSOCCP所需的迭代次數(shù)和所占的CPU時(shí)間.其中Iter和cpu分別表示針對(duì)每個(gè)n運(yùn)行10次的平均迭代次數(shù)和平均CPU時(shí)間.

        表1 運(yùn)用算法1求解不同規(guī)模的wSOCCP的數(shù)值結(jié)果

        表1表明算法1求解規(guī)模較大的wSOCCP只需較少的迭代次數(shù)和CPU時(shí)間.取不同參數(shù)τ=3.8,τ=3.3和τ=2.6時(shí),對(duì)迭代次數(shù)的影響較小.

        6 結(jié) 論

        運(yùn)用非精確非內(nèi)點(diǎn)連續(xù)化算法求解二階錐權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題.算法在每次迭代過(guò)程中最多求解一個(gè)方程組.基于單調(diào)假設(shè),證明了算法是全局與局部二階收斂的.從數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,算法求解不同規(guī)模的二階錐權(quán)互補(bǔ)問(wèn)題時(shí),只需要較少的迭代次數(shù),這表明了算法的良好性能.

        致謝作者非常感謝相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)本文的啟發(fā)以及審稿專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn).

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