考虑以下凸优化问题: min┬(x,y,z)〖x^2+y^2+〖(z-1)〗^2 〗 s.t x+y+z=5;x≥3,y≥2,z≥1 的原问题的最优解和最优值点,以及对偶问题的最优解和最优值点。 给出求解的python代码
时间: 2024-11-30 07:14:14 浏览: 23
这个问题是一个二维约束下的凸优化问题,目标函数是线性组合的平方,即最小化(x^2 + y^2 + (z-1)^2),同时满足线性等式约束x + y + z = 5和非负约束x ≥ 3, y ≥ 2, z ≥ 1。
首先,这是一个拉格朗日乘数法的问题,我们需要构建拉格朗日函数:
L(x, y, z, λ, μ, ν) = x^2 + y^2 + (z-1)^2 - λ(x + y + z - 5) - μx - νy
其中λ、μ、ν是拉格朗日乘数。接下来,我们找到这个函数关于变量x, y, z的梯度等于零的点,即解出stationary points:
∂L/∂x = 2x - λ - μ = 0
∂L/∂y = 2y - λ - ν = 0
∂L/∂z = 2(z-1) - λ = 0
∂L/∂λ = x + y + z - 5 = 0
∂L/∂μ = x - 3 = 0 (因为x >= 3)
∂L/∂ν = y - 2 = 0 (因为y >= 2)
从x、y、z的方程我们可以看出x, y, z都是确定的,并且从μ和ν的方程我们知道x=3, y=2。将x, y代入第三个方程得到z。然后将结果代入到主方程得到λ。
最优解就是满足这些条件的点,而最优值则是此时的目标函数值。由于这是一个标准形式的二次规划问题,通常可以用专业的数学软件(如CVXOPT或Scipy's optimize.minimize)或者直接解上述方程组求得。
至于对偶问题,对于这种有明显等式约束的情况,对偶问题是相同的,因为我们已经有了最弱可行解(feasible solution),即x=3, y=2, z=4。对偶问题并不改变原始问题的最优值,但是形式上有所不同。
以下是用Python的cvxopt库解决这个问题的一个简化版本(假设你已经安装了cvxopt):
```python
import cvxopt as opt
# 定义变量和常量
x = opt.sdpvar('x')
y = opt.sdpvar('y')
z = opt.sdpvar('z')
# 目标函数和约束
objective = opt.Minimize(x**2 + y**2 + (z-1)**2)
constraints = [x + y + z == 5, x >= 3, y >= 2, z >= 1]
# 解决问题
problem = opt.Problem(objective, constraints)
solution = problem.solve()
# 获取最优解和最优值
optimal_x, optimal_y, optimal_z = solution['x'], solution['y'], solution['z']
optimal_value = solution['primal objective']
print("原问题的最优解: x =", optimal_x, ", y =", optimal_y, ", z =", optimal_z)
print("原问题的最优值:", optimal_value)
# 对于对偶问题,这里不需要额外处理,因为上面已知是最优解
```
记得运行这段代码前,需要先安装`cvxopt`库 (`pip install cvxopt`)。实际应用中,可能需要调整代码以适应其他数值计算工具。
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