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京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2019年8月実施 線形計画

Author​

Casablanca, 祭音Myyura

Description​

日本語版​

ai (i=1,…,n)\boldsymbol{a}^i \ (i = 1, \ldots, n) と b\boldsymbol{b} を mm 次元ベクトル,c=(c1,c2,…,cn)⊤\boldsymbol{c} = (c_1, c_2, \ldots, c_n)^{\top} を nn 次元ベクトルする. ただし ⊤\top は転置記号を表す.さらに,A\boldsymbol{A} を第 ii 列が ai\boldsymbol{a}^i となる m×nm \times n 行列,つまり A=[a1 a2 ⋯ an]\boldsymbol{A} = [\boldsymbol{a}^1 \ \boldsymbol{a}^2 \ \cdots \ \boldsymbol{a}^n] とする.

次の線形計画問題 (P) とその双対問題 (D) を考える.

(P) Minimizec⊤xsubject toAx=b x≧0\begin{aligned} \text{(P)}\ &\text{Minimize} &\boldsymbol{c}^{\top} \boldsymbol{x} \\ &\text{subject to} &\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} \\ &\text{ } &\boldsymbol{x} \geqq \boldsymbol{0} \end{aligned}
(D) Maximizeb⊤wsubject toA⊤w≦c\begin{aligned} \text{(D)}\ &\text{Maximize} &\boldsymbol{b}^{\top} \boldsymbol{w} \\ &\text{subject to} &\boldsymbol{A}^{\top} \boldsymbol{w} \leqq \boldsymbol{c} \end{aligned}

ただし,(P) の決定変数は x∈Rn\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n,(D) の決定変数は w∈Rm\boldsymbol{w} \in \mathbb{R}^m である.

問題 (P) は x1∗=0x_1^* = 0 となる唯一の最適解 x∗=(x1∗,x2∗,…,xn∗)⊤\boldsymbol{x}^* = (x_1^*, x_2^*, \ldots, x_n^*)^{\top} を持つとする.このとき,次の線形計画問題 (Q) を考える.

(Q) Maximize  b⊤u−(c⊤x∗)vsubject to  (a1)⊤u−c1v≦−1 (ai)⊤u−civ≦0 (i=2,3,…,n) v≧0\begin{aligned} \text{(Q)}\ \text{Maximize } \ & \boldsymbol{b}^{\top} \boldsymbol{u} - (\boldsymbol{c}^{\top} \boldsymbol{x}^*) v \\ \text{subject to } \ &(\boldsymbol{a}^1)^{\top} \boldsymbol{u} - c_1 v \leqq -1 \\ \text{ } &(\boldsymbol{a}^i)^{\top} \boldsymbol{u} - c_i v \leqq 0 \ (i = 2, 3, \ldots, n) \\ \text{ } &v \geqq 0 \end{aligned}

ただし,決定変数は u∈Rm\boldsymbol{u} \in \mathbb{R}^m と v∈Rv \in \mathbb{R} である.

以下の問いに答えよ.

(i) 問題 (Q) の双対問題を書け.

(ii) 問題 (Q) が最適解を持つことを示せ.

(iii) 問題 (Q) の最適値が 00 となることを示せ.

(iv) 問題 (Q) は v∗>0v^* > 0 となる最適解 (u∗,v∗)(\boldsymbol{u}^*, v^*) を持つとする.w∗=u∗v∗\boldsymbol{w}^* = \frac{\boldsymbol{u}^*}{v^*} とする.このとき,w∗\boldsymbol{w}^* は双対問題 (D) の最適解であることを示せ.

(v) 問題 (Q) は v∗=0v^* = 0 となる最適解 (u∗,v∗)(\boldsymbol{u}^*, v^*) を持つとする.このとき,(a1)⊤w∗<c1(\boldsymbol{a}^1)^{\top} \boldsymbol{w}^* < c_1 となる (D) の最適解 w∗\boldsymbol{w}^* が存在することを示せ.

English Version​

题目描述​

令 ai\boldsymbol a^i(i=1,…,ni=1,\ldots,n)和 b\boldsymbol b 为 mm 维向量,c=(c1,…,cn)⊤\boldsymbol c=(c_1,\ldots,c_n)^\top 为 nn 维向量,A=[a1 ⋯ an]\boldsymbol A=[\boldsymbol a^1\ \cdots\ \boldsymbol a^n]。考虑互为原、对偶的线性规划

(P):min⁡x c⊤xAx=b,x≧0,(D):max⁡w b⊤wA⊤w≦c,\begin{aligned} (\mathrm P):\quad&\min_{\boldsymbol x}\ \boldsymbol c^\top\boldsymbol x\\ &\boldsymbol A\boldsymbol x=\boldsymbol b,\quad \boldsymbol x\geqq\boldsymbol0, \end{aligned} \qquad \begin{aligned} (\mathrm D):\quad&\max_{\boldsymbol w}\ \boldsymbol b^\top\boldsymbol w\\ &\boldsymbol A^\top\boldsymbol w\leqq\boldsymbol c, \end{aligned}

其中 x∈Rn\boldsymbol x\in\mathbb R^n、w∈Rm\boldsymbol w\in\mathbb R^m。假设 P 有唯一最优解 x∗=(x1∗,…,xn∗)⊤\boldsymbol x^*=(x_1^*,\ldots,x_n^*)^\top,且 x1∗=0x_1^*=0。再考虑以 u∈Rm\boldsymbol u\in\mathbb R^m、v∈Rv\in\mathbb R 为变量的

(Q):最大化b⊤u−(c⊤x∗)v满足(a1)⊤u−c1v≦−1,(ai)⊤u−civ≦0(i=2,…,n),v≧0.\begin{aligned} (\mathrm Q):\quad &\text{最大化}\quad \boldsymbol b^\top\boldsymbol u-(\boldsymbol c^\top\boldsymbol x^*)v\\ &\text{满足}\quad (\boldsymbol a^1)^\top\boldsymbol u-c_1v\leqq-1,\\ &\hspace{2.8em} (\boldsymbol a^i)^\top\boldsymbol u-c_iv\leqq0 \quad(i=2,\ldots,n),\\ &\hspace{2.8em}v\geqq0. \end{aligned}

回答:

  1. 写出 Q 的对偶问题。
  2. 证明 Q 有最优解。
  3. 证明 Q 的最优值为 00。
  4. 若 Q 有一个满足 v∗>0v^*>0 的最优解 (u∗,v∗)(\boldsymbol u^*,v^*),令 w∗=u∗/v∗\boldsymbol w^*=\boldsymbol u^*/v^*。证明 w∗\boldsymbol w^* 是 D 的最优解。
  5. 若 Q 有一个满足 v∗=0v^*=0 的最优解 (u∗,v∗)(\boldsymbol u^*,v^*),证明存在 D 的最优解 w∗\boldsymbol w^* 满足 (a1)⊤w∗<c1(\boldsymbol a^1)^\top\boldsymbol w^*<c_1。

Kai​

(i)​

After replacing the maximization objective by its negative, the Lagrangian is

L(u,v,λ,κ)=(c⊤x∗)v−b⊤u+λ⊤(A⊤u−vc−d)−κvL(u,v,\lambda, \kappa) = (c^\top x^*)v - b^\top u + \lambda ^\top (A^\top u - vc - d) - \kappa v

The infimum is finite only if

Aλ=b,c⊤x∗−c⊤λ−κ=0.A\lambda=b,\qquad c^\top x^*-c^\top\lambda-\kappa=0.

Negating the resulting dual objective gives the following dual of Q:

(QD):Minimize  d⊤λSubject to  c⊤x∗−c⊤λ−κ=0Aλ=bκ≥0,λ⪰0\begin{aligned} (Q_D): \text{Minimize } \ &d^\top \lambda \\ \text{Subject to } \ &c^\top x^* - c^\top \lambda - \kappa = 0 \\ &A\lambda=b\\ &\kappa \geq 0, \lambda \succeq \boldsymbol{0}\\ \end{aligned}

where d=[−1,0,0,…,0]⊤d = [-1,0,0,\ldots, 0]^\top

(ii)​

The point (λ,κ)=(x∗,0)(\lambda,\kappa)=(x^*,0) is feasible for QDQ_D. Conversely, if (λ,κ)(\lambda,\kappa) is feasible, then

Aλ=b,λ⪰0,c⊤λ=c⊤x∗−κ≤c⊤x∗.A\lambda=b,\qquad \lambda\succeq0,\qquad c^\top\lambda=c^\top x^*-\kappa\leq c^\top x^*.

Thus λ\lambda is an optimal solution of P. By uniqueness, λ=x∗\lambda=x^* and κ=0\kappa=0. Hence QDQ_D has the finite optimum d⊤x∗=0d^\top x^*=0, and LP duality implies that Q also has an optimal solution.

(iii)​

By (ii), the dual problem QDQ_D has optimal value

d⊤x∗=−x1∗=0.d^\top x^*=-x_1^*=0.

Strong duality therefore gives v(Q)=0v(Q)=0.

(iv)​

we know

b⊤u∗−v∗(c⊤x∗)=0b^\top u^* - v^* (c^\top x^*) = 0

then

b⊤u∗v∗=c⊤x∗b^\top \frac{u^*}{v^*} = c^\top x^*

since

A⊤u∗v∗≤c+dv∗≤c,A^\top \frac{u^*}{v^*} \leq c+\frac{d}{v^*} \leq c,

u∗v∗\frac{u^*}{v^*} is an optimal solution to (D)(D)

(v)​

we have

b⊤u∗=0,A⊤u∗≤db^\top u^* = 0, A^\top u^* \leq d

(D) has optimal solution w~\widetilde{w}, let w∗=w~+tu∗w^* = \widetilde{w} + tu^*, t>0t > 0, then we have

A⊤w∗≤c+td≤c,(a1)⊤w∗≤c1−t<c1A^\top w^* \leq c+ td \leq c, \qquad (a^1)^\top w^* \leq c_1-t<c_1
b⊤w∗=b⊤w~b^\top w^* = b^\top \widetilde{w}

i.e., w∗w^* is such an optimal solution