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title: Josh's Note — 凸优化<br>Part 1.6 凸集—对偶锥与广义不等式
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- - Josh 的学习笔记
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- 凸优化
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- 凸集
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- - 数学
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- 凸优化
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- 凸优化
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- 凸集
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date: 2024-06-13 10:57:38
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# 1. 对偶锥
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$
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\newcommand{\bfR}{\mathbf{R}}
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\newcommand{\bfS}{\mathbf{S}}
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\newcommand{\TT}{\mathrm{T}}
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\def\tr{\mathop{\bf tr}}
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\def\iint{\mathop{\bf int}}
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$  令 $K$ 为一个锥。集合
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$$\begin{equation}
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K^\ast = \{ y\mid x^\TT y \geqslant 0,\ \forall x \in K \}
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\end{equation}$$
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称为 K 的**对偶锥**(*dual cone*)。顾名思义,$K^\ast$ 是一个锥,并且它总是凸的,即使 $K$ 不是凸锥。
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  从几何上看,$y \in K^\ast$ 当且仅当 $-y$ 是 $K$ 在原点的一个支撑超平面的法线,如[图 22](#图22) 所示。
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<a id="图22"></a>
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> **举例** **子空间**。子空间 $V \subseteq \bfR^n$(这是一个锥)的对偶锥是其正交补 $V^\perp = \{y\mid y^\TT v = 0,\ \forall v \in V\}$。
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<!-- more -->
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> **举例** **非负象限**。锥 $\bfR^n_+$ 的对偶是它本身:
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>
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> $$
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> y^\TT x \geqslant 0,\ \forall x \succeq 0 \Longleftrightarrow y \succeq 0
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> $$
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>
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> 称这种锥**自对偶**(*self-dual*)。
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> **举例** **半正定锥**。在 $n \times n$ 对称矩阵的集合 $\bfS^n$ 上,其标准内积 $\tr(XY) = \displaystyle\sum_{i,j=1}^{n} X_{ij}Y_{ij}$。半正定锥 $\bfS^n_+$ 是自对偶的,即对于任意的 $X,Y\in\bfS^n$
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>
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> $$
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> \tr (XY) \geqslant 0,\ \forall X \succeq 0 \Longleftrightarrow Y \succeq 0
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> $$
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>
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> 下面说明这一结论。
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>
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> > **证明** 假设 $Y \notin \bfS^n_+$,那么存在 $q \in \bfR^n$ 并且
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> >
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> > $$
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> > q^\TT Yq = \tr (qq^\TT Y) < 0
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> > $$
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> >
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> > 于是半正定矩阵 $X = qq^\TT$ 满足 $\tr(XY) < 0$,由此可知 $Y \notin (\bfS^n_+)^\ast$。
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> >
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> > 假设 $X,Y\in\bfS^n_+$,可以利用特征值分解将 $X$ 表述为 $X = \displaystyle\sum_{i=1}^n \lambda_i q_i q_i^\TT$,其中(特征值)$\lambda_i \geqslant 0,\ i = 1,\cdots,n$。于是有
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> >
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> > $$
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> > \tr (XY) = \tr \left( Y \sum_{i=1}^n \lambda_i q_i q_i^\TT \right) = \sum_{i=1}^n \lambda_i q^\TT Y q_i \geqslant 0
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> > $$
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> >
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> > 以上表明 $Y \in (\bfS^n_+)^\ast$。
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> **举例** **范数锥的对偶**。令 $\|\cdot\|$ 为定义在 $\bfR^n$ 上的范数。与之相关的锥 $K = \{ (x,t) \in \bfR^{n+1}\mid \|x\|\leqslant t \}$ 的对偶锥由其对偶范数定义,
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>
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> $$
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> K^\ast = \{(u,v) \in \bfR^{n+1}\mid \|u\|_\ast \leqslant v\}
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> $$
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>
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> 这里的对偶范数由 $\|u\|_\ast = \sup\{u^\TT x\mid \| x \|\leqslant 1\}$ 给出。
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>
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> 为证明这个结论,我们需要说明
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>
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> $$\begin{equation}\label{DualOfNormCone}
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> x^\TT u + tv \geqslant 0\ 只要\ \|x\|\leqslant t \Longleftrightarrow \|u\|_\ast \leqslant v
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> \end{equation}$$
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>
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> > **证明** 首先,证明由右端关于 $(u,v)$ 的条件可以得出左端的条件。设 $\|u\|_\ast \leqslant v$,并且对于一些 $t>0$ 有 $\|x\| \leqslant t$。(如果 $t = 0$,$x$ 必须是零,因此显然有 $u^\TT x + vt \geqslant 0$。)根据对偶锥的定义以及 $\|-x/t\|\leqslant 1$,我们有
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> >
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> > $$
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> > u^\TT (-x/t) \leqslant \|u\|_\ast \leqslant v
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> > $$
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> >
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> > 因此,$u^\TT x + vt \geqslant 0$。
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> >
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> > 其次,我们证明 $\eqref{DualOfNormCone}$ 左端的条件可以导出 $\eqref{DualOfNormCone}$ 右端的条件。假设 $\|u\|_\ast> v$,即右端不成立。那么,根据对偶锥的定义,存在 $x$ 满足 $\|x\|\leqslant 1$ 及 $x^\TT u > v$。取 $t=1$,我们有
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> >
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> > $$
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> > u^\TT (-x) + v < 0
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> > $$
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> >
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> > 这与 $\eqref{DualOfNormCone}$ 的左端相矛盾。
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  对偶锥满足一些性质,例如
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- $K^\ast$ 是闭凸锥。
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- $K_1 \subseteq K_2$ 可导出 $K_2^\ast \subseteq K_1^\ast$。
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- 如果 $K$ 有非空内部,那么 $K^\ast$ 是尖的。
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- 如果 $K$ 的闭包是尖的,那么 $K^\ast$ 有非空内部。
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- $K^{\ast\ast}$ 是 $K$ 的凸包的闭包。(因此,如果 $K$ 是凸和闭的,则 $K^{\ast\ast} = K$。)这些性质表明如果 $K$ 是一个正常锥,那么它的对偶 $K^\ast$ 也是,进一步地,有 $K^{\ast\ast} = K$。
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# 2. 广义不等式的对偶
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  现在假设凸锥 $K$ 是正常锥,因此它可以导出一个广义不等式 $\preceq_K$。其对偶锥 $K^\ast$ 也是正常的,所以也能导出一个广义不等式。我们称广义不等式立 $\preceq_{K^\ast}$ 为广义不等式 $\preceq_K$ 的**对偶**(*dual*)。
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  关于广义不等式及其对偶有一些重要的性质
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- $x \preceq_K y$ 当且仅当对于任意 $\lambda \succeq_{K^\ast}$,有 $\lambda^\TT x \leqslant \lambda^\TT y$。
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- $x \prec_K y$ 当且仅当对于任意 $\lambda \succeq_{K^\ast}$ 和 $\lambda\ne 0$,有 $\lambda^\TT T x < \lambda^\TT y$。
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  因为 $K = K^{\ast\ast}$,与 $\preceq_{K^\ast}$ 相关的对偶广义不等式为 $\preceq_{K}$,因此交换广义不等式及其对偶后,这些性质依然成立。作为一个具体的例子,我们可知 $\lambda\preceq_{K^\ast} \mu$ 的充要条件是对于所有 $x \succeq_K 0$ 有 $\lambda^\TT x \leqslant \mu^\TT x$。
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> **举例** **线性严格广义不等式的择一定理**。设 $K \subseteq \bfR^m$ 为正常锥。考虑严格广义不等式
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> $$\begin{equation}\label{StrictGeneralInequality}
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> Ax \prec_K b
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> \end{equation}$$
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> 其中 $x \in \bfR^n$
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> 下面推导对于这个不等式的择一定理。假设它是不可行的,即仿射集合 $\{b-Ax\mid x\in\bfR^n\}$ 与开凸集 $\iint K$ 不相交。那么存在一个分离超平面,即非零的 $\lambda\in\bfR^m$ 和 $\mu\in \bfR$ 使得对于任意 $x$ 有灯 $\lambda^\TT(b-Ax) \leqslant \mu$,对于任意 $y \in \iint K$ 有 $\lambda^\TT y \geqslant \mu$。第一个条件表明 $A^\TT \lambda = 0$ 及 $\lambda^\TT b \leqslant \mu$。第二个条件表明对于任意 $y\in K$ 有 $\lambda^\TT y \geqslant \mu$,这种情况仅当 $\lambda \in K^\ast$ 和 $\mu \leqslant 0$ 时才可能发生。
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> 综上,我们可知当 $\eqref{StrictGeneralInequality}$ 不可行时,存在 $\lambda$ 使得
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> $$\begin{equation}\label{StrictGeneralInequalityInfeasible}
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> \lambda \ne 0,\qquad \lambda \preceq_{K^\ast} 0,\qquad A^\TT \lambda = 0,\qquad \lambda^\TT b \leqslant 0
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> \end{equation}$$
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> 现在我们证明反方向,即如果 $\eqref{StrictGeneralInequalityInfeasible}$ 成立,那么,不等式组 $\eqref{StrictGeneralInequality}$ 不可能可行。假设不等式均成立,因为 $\lambda\ne 0$,$\lambda \succeq_{K^\ast}$ 及 $b - Ax \succ_K 0$,我们有 $\lambda^\TT (b-Ax)>0$。但是根据 $A^\TT \lambda = 0$,我们可以找到 $\lambda^\TT (b-Ax) = \lambda^\TT b \leqslant 0$,而这是一个矛盾。
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>
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> 因此,不等式组 $\eqref{StrictGeneralInequality}$ 和 $\eqref{StrictGeneralInequalityInfeasible}$ 构成一对择一:对于任意 $A, b$,它们中仅有一个是可行的。(这是严格线性不等式的择一定理的推广;严格线性不等式的择一定理是 $K = \bfR^m_+$ 时的特殊情况。)
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# 3. 对偶不等式定义的最小元和极小元
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  可以利用对偶广义不等式来刻画集合 $S\subseteq\mathbf{R}^m$(可能非凸)关于正常锥 $K$ 导出的广义不等式的最小元和极小元。
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## 3.1 最小元的对偶性质
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  首先考虑**最小**(*minimum*)元的性质。$x$ 是 $S$ 上关于广义不等式 $\preceq _K$ 的最小元的充要条件是,对于所有 $\lambda\succ_{K^*}0$,$x$ 是在 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的唯一最优解。几何上看,这意味着对于任意 $\lambda\succ_{K^*}0$,超平面
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$$
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\{z\mid \lambda^\TT (z-x)=0\}
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$$
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是在 $x$ 处对 $S$ 的一个严格支撑超平面。(用严格支撑超平面表明这个超平面与 $S$ 只相交于 $x$。)注意此处并不要求 $S$ 是凸集。这可由[图 23](#图23)来表示。
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<a id="图23"></a>
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  为说明这个结论,设 $x$ 是 $S$ 的最小元,即对于任意 $z\in S$ 有 $x\preceq_Kz$,同时,令 $\lambda\succ_{K^*} 0$,而$z\in S$,$z\neq x$。因为 $x$ 是 $S$ 上的最小元,所以有 $z-x\succeq_K0$。根据 $\lambda\succ_{K^*}0$ 及 $z-x\succeq_K0$,$z-x\neq0$,可以得到 $\lambda^\TT (z-x)>0$。因为 $z$ 是 $S$ 上任意一个不等于 $x$ 的元素,所以 $x$ 是在 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的唯一解。反之,假设对于所有 $\lambda\succ_{K^*}0$,$x$ 是 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的唯一解,但 $x$ 不是 $S$ 的最小元。那么存在 $z\in S$ 满足 $z\nsucceq_Kx$。因为 $z-x\nsucceq_K0$,存在 $\tilde{\lambda}\succeq_{K^*} 0$ 并且 $\tilde{\lambda}^\TT(z-x)<0$。因此,对于 $\lambda\succ_{K^*} 0$,在 $\tilde{\lambda}$ 的邻域内有 $\lambda^\TT (z-x)<0$。这与 $x$ 是 $S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的唯一解相矛盾。
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## 3.2 极小元的对偶性质
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  现在讨论**极小**(*minimal*)元的类似性质。此时,在必要和充分条件间存在一定的间隙。如果 $\lambda\succ_{K^*} 0$ 并且 $x$ 在 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$,那么 $x$ 是极小的,如[图 24](#图24)所示。
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<a id="图24"></a>
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> **证明** 假设 $\lambda\succ_{K^*} 0$ 并且 $x$ 在 $S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$,但 $x$ 不是极小元,即存在 $z\in S$ 满足 $z\neq x$,$z\preceq_Kx$。那么 $\lambda^\TT (x-z)>0$,这与我们的假设,即 $x$ 在 $S$ 上极小化了 $\lambda^\TT z$,相矛盾。
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  其逆命题在一般情况下不成立:$S$ 上的极小元 $x$ 可以对于任何 $\lambda$ 都不是 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的解,如[图 25](#图25)所示。此图表明了凸性在这个逆定理中的重要作用,当凸性成立时,逆定理是成立的。假设集合 $S$ 是凸集,可以说对于任意极小元 $x$,存在非零的 $\lambda\succeq_{K^*} 0$ 使得 $x$ 在 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$。
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<a id="图25"></a>
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> **证明** 假设 $x$ 是极小的,也就是说 $((x-K)\setminus\{x\})\cap S=\emptyset$。对凸集 $(x-K)\setminus\{x\}$ 和 $S$ 应用超平面分离定理,可以得出:存在 $\lambda\neq0$ 和 $\mu$,使得对于所有 $y\in K$ 有 $\lambda^\TT (x-y)\leqslant\mu$,对于所有 $z\in S$ 有 $\lambda^\TT z\geqslant\mu$。根据第一个不等式,可知 $\lambda\succeq_{K^*} 0$。由于 $x\in S$ 和 $x\in x-K$,所以有 $\lambda^\TT x=\mu$,所以第二个不等式表明 $\mu$ 是 $S$ 上 $\lambda^\TT z$ 的最小值。因此,$x$ 是 $S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的一个解,这里 $\lambda\neq0$,$\lambda\succeq_{K^*}0$。
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  这个逆定理无法加强为 $\lambda\succ_{K^*} 0$。反例表明,凸集 $S$ 上的极小元 $x$,可以对于任意 $\lambda\succ_{K^*}0$,都不是 $z\in S$ 中极小化 $\lambda ^\TT z$ 的解(参见[图 26,左图](#图26))。同时,并不是对于任意 $\lambda\succeq_{K^*} 0$,在 $z\in S$ 上极小化 $\lambda^\TT z$ 的解都一定是极小的(参见[图 26,左图](#右26))。
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<a id="图26"></a>
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# 参考文献
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1. Stephen P. Boyd and Lieven Vandenberghe, *Convex optimization*. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004.
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2. Stephen P. Boyd and Lieven Vandenberghe, *凸优化*. 北京: 清华大学出版社, 2013.
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