Skip to content

京都大学 情報学研究科 数理工学専攻 2022年8月実施 線形計画

Author

Casablanca

Description

日本語版

\(\boldsymbol{A} \in \mathbb{R}^{m \times n},\boldsymbol{b} \in \mathbb{R}^m,\boldsymbol{c} \in \mathbb{R}^n\) とする。次の線形計画問題を考える。

\[ \begin{aligned} \text{P}: &\text{Minimize} \quad \boldsymbol{c}^{\top}\boldsymbol{x} \\ &\text{subject to} \quad \boldsymbol{Ax} = \boldsymbol{b} \\ &\qquad \qquad \quad \boldsymbol{x} \geqq 0 \end{aligned} \]

ただし, 問題 \(P\) の決定変数は \(\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n\) であり, \(\top\) は転置記号を表す。また, \(\boldsymbol{Ay} = \boldsymbol{b}\)\(y_i > 0(i = 1,\dots,n)\) を満たすベクトル \(\boldsymbol{y} = (y_1,\dots,y_n)^{\top} \in \mathbb{R}^n\) が存在するとする。

以下の問いに答えよ。

(i) 問題 \(P\) の双対問題を \(D\) とする。\(\boldsymbol{r^*} \in \mathbb{R}^m\) が問題 \(D\) の最適解であり, ある実数 \(\varepsilon > 0\) に対して, \(\boldsymbol{c}^{\top}\boldsymbol{y} - \boldsymbol{b}^{\top}r < \varepsilon\) を満たす問題 \(D\) の実行可能解 \(\boldsymbol{r} \in \mathbb{R}^m\) が存在すると仮定する。そのとき,

\[ \boldsymbol{b}^{\top}\boldsymbol{r^*} - \varepsilon < \boldsymbol{b}^{\top}\boldsymbol{r} \leqq \boldsymbol{b}^{\top}\boldsymbol{r^*} \]

が成立することを示せ。

(ii) \(\boldsymbol{Y} \in \mathbb{R}^{n \times n}\) は第 \((i,i)\) 成分を \(y_i\) とする 対角行列と定義し, \(\boldsymbol{AY}^2\boldsymbol{A}^{\top}\) は正則行列と仮定する。さらに, 以下の最適化問題を考える。

\[ \begin{aligned} \text{Q}: &\text{Minimize} \quad \boldsymbol{c}^{\top}\boldsymbol{d} \\ &\text{subject to} \quad \boldsymbol{Ad} = \boldsymbol{0} \\ &\qquad \qquad \quad \boldsymbol{||Y^{-1}d||} \leqq \frac{1}{2} \end{aligned} \]

ここで, 問題 \(Q\) の決定変数は \(\boldsymbol{d} \in \mathbb{R}^n\) であり, \(||\cdot||\) はユークリッドノルマ表す (すなわち, 任意のベクトル \(z\) に対して, \(||z|| = \sqrt{z^{\top}z}\)). また, \(\boldsymbol{p} = (\boldsymbol{AY^2A}^{\top})^{-1}\boldsymbol{AY^2c}\) と定義し, \(\boldsymbol{c - A^{\top}p \neq 0}\) と仮定する。さらに, 以下のベクトルを定義する。

\[ \boldsymbol{d^*} = -\frac{\boldsymbol{Y^2(c - A^{\top}p)}}{2||\boldsymbol{Y(c - A^{\top}p)}||} \]

以下の問 (a) , (b) , \((c)\) に答えよ。

(a) \(\boldsymbol{c^{\top}d^*} = - \frac{||\boldsymbol{Y(c - A^{\top}p)}||}{2}\) であることを示せ。

(b) \(\boldsymbol{d^*}\) が問題 \(Q\) の最適解であることを示せ。

\((c)\) \(\boldsymbol{\tilde{x} = y + d^*}\) とする。そのとき, \(\boldsymbol{\tilde{x}}\)が問題 \(P\) の実行可能解であることと, \(\boldsymbol{c^{\top}\tilde{x}} < \boldsymbol{c^{\top}y}\) を満たすことを示せ。

English Version

Kai

(i)

Lagrangian:

\[ L(x,\mu) = c^\top x + \mu^\top(b-Ax) \]

Lagrange dual function:

\[ \begin{aligned} g(\mu)=& \inf_{x} \{ (c^\top - \mu^\top A )x + \mu^\top b \} \\ =&b^\top \mu, c + A\mu \succeq \mathbf{0} \end{aligned} \]

dual problem

\[ \begin{aligned} D:&\text{Maximize} & b^\top \mu \\ &\text{subject to} & c - A\mu \succeq \mathbf{0} \end{aligned} \]

thus

\[ b^\top r \geq b^\top r^*, Ay = b \]

since

\[ c^\top y \leq b^\top r + \epsilon \]

and from duality we know

\[ c^\top y \geq b^\top r^* \]

thus

\[ b^\top r^* < b^\top r + \epsilon \]

then

\[ b^\top r^* - \epsilon < b^\top r \leq b^\top r^* \]

(ii)

(a)

\[ c^\top d^* = - \frac{c^\top Y^2 (c-A^\top p)}{2||Y(c- A^\top p)||} \]
\[ \begin{aligned} (Y(c- A^\top p))^\top (Y(c-A^\top p)) =& (c^\top - p^\top A)YY(c-A^\top p)\\ =& c^\top Y^2 c - c^\top Y^2 A^\top p - p^\top AY^2 c + p^\top A Y^2 A^\top p\\ = & c^\top Y^2 c - c^\top Y^2 A^\top p - p^\top AY^2 c + p^\top AY^2 c\\ = & c^\top Y^2 (c - A^\top p)\\ \end{aligned} \]

thus

\[ c^\top d^* = -\frac{c^\top Y^2(c-A^\top p)}{2||Y(c- A^\top p)||} = \frac{(Y(c-A^\top p)) ^ 2}{-2||Y(c-A^\top p)||} = - \frac{||Y(c-A^\top p)||}{2} \]

(b)

Write Q as:

\[ \begin{aligned} Q:&\text{Minimize} & c^\top d \\ &\text{subject to} & Ad & = \mathbf{0} \\ &\text{ } &d^\top (Y^{-1})^2d - \frac 14 & \leq 0 \end{aligned} \]

Lagrangian:

\[ L(d,\lambda, \mu) = c^\top d + \lambda (d^\top (Y^{-1})^2 d - \frac 14) + \mu (Ad) \]

We get KKT_conditions:

\[ \text{ } \left\{ \begin{aligned} \lambda (Y^{-1})^2 \widehat{d} + c + A \mu & = & 0 \\ \lambda & \geq &0 \\ A \widehat{d} = 0, \widehat{d}^\top (Y^{-1})^2 \widehat{d} & \leq &\frac 14 \end{aligned} \right. \]
\[ \begin{align} &Ad^* = - \frac{AY^2c - AY^2A^\top p}{constant} = - \frac{AY^2C - AY^2C}{constant} = 0 \tag{1} \\ &\|Y^{-1}d\| = \|\frac{Y(c - A^\top p)}{2 \|Y(c-A^\top p) \|} \| = \frac 12 \tag{2} \\ &\lambda ^* (- \frac{c - A^\top p}{2 \|Y(c-A^\top p)\|}) + c^\top + A \mu^* = 0 \tag{3} \end{align} \]

\(d^*, \lambda^* , \mu^*\) satisfies KKT-conditions for \(\lambda ^* = 2\|Y(c-A^\top p)\|, \mu^* = -p\)

\((c)\)

\[ A(y+d^*) = b \]
\[ d^* = - \frac{Y}{2} \frac{Y(c-A^\top p)}{ \|Y(c-A^\top p)\|} \]
\[ d^* = -\frac{1}{2} Y \vec{n}, |d_i| < \frac{1}{2} y_i \]

and easy to see:

\[ -\mathbf{1}^\top \frac{Y}{2} \leq d^* \leq \mathbf{1}^\top \frac{Y}{2} \]

thus

\[ y + d^* \succeq \mathbf{0} \]

thus \(\widetilde{x}\) is feasible, and we get:

\[ c^\top \widetilde{x} = c^\top y + c^\top d^* = c^\top y - \frac{\|Y(c-A^\top p)\|}{2} < c^\top y \]