在求解最優(yōu)化問題中，拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier）和KKT（Karush Kuhn Tucker）條件是兩種最常用的方法。在有等式約束時使用拉格朗日乘子法，在有不等約束時使用KKT條件。

　　我們這里提到的最優(yōu)化問題通常是指對于給定的某一函數(shù)，求其在指定作用域上的全局最小值(因為最小值與最大值可以很容易轉(zhuǎn)化，即最大值問題可以轉(zhuǎn)化成最小值問題)。提到KKT條件一般會附帶的提一下拉格朗日乘子。對學過高等數(shù)學的人來說比較拉格朗日乘子應該會有些印象。二者均是求解最優(yōu)化問題的方法，不同之處在于應用的情形不同。

? ? ? 一般情況下，最優(yōu)化問題會碰到一下三種情況：

（1）無約束條件

　　這是最簡單的情況，解決方法通常是函數(shù)對變量求導，令求導函數(shù)等于0的點可能是極值點。將結(jié)果帶回原函數(shù)進行驗證即可。

（2）等式約束條件

? ? ? 設目標函數(shù)為f(x)，約束條件為h_k(x)，形如:

? ? ? 　　s.t. 表示subject to ，“受限于”的意思，l表示有l(wèi)個約束條件。

　　　　　　　　

　　　則解決方法是消元法或者拉格朗日法。消元法比較簡單不在贅述，這里主要講拉格朗日法，因為后面提到的KKT條件是對拉格朗日乘子法的一種泛化。

　　　例如給定橢球:

?????　　　　　　　　　　

　 ?　求這個橢球的內(nèi)接長方體的最大體積。這個問題實際上就是條件極值問題，即在條件? ????下，求的最大值。

　　 ?當然這個問題實際可以先根據(jù)條件消去 z?(消元法)，然后帶入轉(zhuǎn)化為無條件極值問題來處理。但是有時候這樣做很困難，甚至是做不到的，這時候就需要用拉格朗日乘數(shù)法了。??

　　 ?首先定義拉格朗日函數(shù)F(x)：

　　　　　　　　? （?其中λk是各個約束條件的待定系數(shù)。） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? 然后解變量的偏導方程：

? ? ??　　　　......,

　　　如果有l(wèi)個約束條件，就應該有l(wèi)+1個方程。求出的方程組的解就可能是最優(yōu)化值（高等數(shù)學中提到的極值），將結(jié)果帶回原方程驗證就可得到解。

　　　回到上面的題目，通過拉格朗日乘數(shù)法將問題轉(zhuǎn)化為

　　　　?????

　　　對求偏導得到

? ? ?　　　 ?

　　　聯(lián)立前面三個方程得到和，帶入第四個方程解之

　　　　? ? ??

　　　帶入解得最大體積為：

??????　　　　

?

（3）不等式約束條件

? ? ? ?設目標函數(shù)f(x)，不等式約束為g(x)，有的教程還會添加上等式約束條件h(x)。此時的約束優(yōu)化問題描述如下：

　　　　　　　　

? ? ? ? 則我們定義不等式約束下的拉格朗日函數(shù)L，則L表達式為：

　　　　　　　　

? ? ? 其中f(x)是原目標函數(shù)，hj(x)是第j個等式約束條件，λj是對應的約束系數(shù)，gk是不等式約束，uk是對應的約束系數(shù)。

　　常用的方法是KKT條件，同樣地，把所有的不等式約束、等式約束和目標函數(shù)全部寫為一個式子L(a, b, x)= f(x) + a*g(x)+b*h(x)，

　　KKT條件是說最優(yōu)值必須滿足以下條件：

　　　　1）L(a, b, x)對x求導為零；

　　　　2）h(x) =0;

　　　　3）a*g(x) = 0;

?

　　求取這些等式之后就能得到候選最優(yōu)值。其中第三個式子非常有趣，因為g(x)<=0，如果要滿足這個等式，必須a=0或者g(x)=0. 這是SVM的很多重要性質(zhì)的來源，如支持向量的概念。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的对拉格朗日乘子法与KKT的理解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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