共轭函数是最优化问题中非常重要的概念,常用来在原问题和对偶问题之间进行转换。
本文从便于理解的角度对其进行介绍,并推导常见例子。
本文主要参考S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex Optimization中3.3节。

定义

对于原函数f(x),x∈Df(x),x\in Df(x),xD,其共轭函数为:
f∗(y)=sup⁡x∈D(<y,x>−f(x))f^*(y)=\sup_{x\in D} (<y,x>-f(x))f(y)=xDsup(<y,x>f(x))

其中,<y,x><y,x><y,x>表示两个变量的内积

  • 对于标量:<y,x>=y⋅x<y,x>=y\cdot x<y,x>=yx
  • 对于向量:<y,x>=yTx<y,x>=y^Tx<y,x>=yTx
  • 对于n×nn\times nn×n对称矩阵:<y,x>=tr(yx)<y,x>=\textbf{tr} (yx)<y,x>=tr(yx)

特别注意,共轭函数的定义域要求对x∈Dx\in DxD<y,x>−f(x)<y,x>-f(x)<y,x>f(x)有上界。即,f∗(y)f^*(y)f(y)不能为无穷大。

物理意义

对于共轭函数的每一个自变量y=yˉy=\bar{y}y=yˉ,其取值相当于一条直线与原函数之差的最大值:
f∗(yˉ)=sup⁡x∈D(l(x)−f(x))f^*(\bar y)=\sup_{x\in D}(l(x)-f(x))f(yˉ)=xDsup(l(x)f(x))
这条直线l(x)=<yˉ,x>l(x)=<\bar y,x>l(x)=<yˉ,x>,其斜率由yˉ\bar yyˉ决定。
这里写图片描述

两条曲线之差随着xxx变化,其最大值可以对xxx求导得到:
∂(<y,x>−f(x))∂x=0⇒f′(x)=y\frac{\partial(<y,x>-f(x))}{\partial x}=0 \Rightarrow f'(x)=yx(<y,x>f(x))=0f(x)=y
即:曲线斜率与直线斜率相同处的xxx,能够得到最大值。
f∗(yˉ)=<yˉ,xˉ>−f(xˉ),subject to f(xˉ)=yˉf^*(\bar y)=<\bar y, \bar x>-f(\bar x), subject\ to\ f(\bar x)=\bar yf(yˉ)=<yˉ,xˉ>f(xˉ),subject to f(xˉ)=yˉ
这里写图片描述

举例

Negative entropy

原函数:f(x)=xlog⁡x,x>0f(x)=x\log x, x>0f(x)=xlogx,x>0

原函数为增函数。
对于y<0y<0y<0l(x)l(x)l(x)为减函数。则l(x)−f(x)l(x)-f(x)l(x)f(x)为减函数,不超过其在零点取值。
对于y≥0y\geq 0y0l(x)l(x)l(x)也是增函数
lim⁡x→∞l(x)/f(x)=lim⁡x→∞l′(x)/f′(x)=lim⁡x→∞y/(log⁡x+x)=0\lim_{x\to \infty} l(x)/f(x)=\lim_{x \to \infty} l'(x)/f'(x)=\lim_{x\to \infty} y/(\log x + x)=0xliml(x)/f(x)=xliml(x)/f(x)=xlimy/(logx+x)=0

l(x)l(x)l(x)增速小于f(x)f(x)f(x)增速,故其差有界。

故,f∗(y)f^*(y)f(y)的定义域为y∈Ry\in RyR

找到最大值处xxx的表达式:
xy−xlog⁡x∂x=0⇒x=ey−1\frac{xy - x\log x}{\partial x}=0 \Rightarrow x=e^{y-1}xxyxlogx=0x=ey1
代入共轭函数:
f∗(y)=y⋅ey−1−ey−1(y−1)=ey−1f^*(y)=y\cdot e^{y-1}-e^{y-1}(y-1)=e^{y-1}f(y)=yey1ey1(y1)=ey1

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