证明如果标准形式的 LP 存在非退化的最优基可行解,则其对偶规划必有唯一最优解。
时间: 2023-06-10 18:07:21 浏览: 91
一类规划问题最优解的存在性和唯一性 (2002年)
设标准形式的原始问题为:
$$
\begin{aligned}
\text{maximize}\quad & c^Tx\\
\text{s.t.}\quad & Ax=b\\
& x\geq 0
\end{aligned}
$$
其对偶问题为:
$$
\begin{aligned}
\text{minimize}\quad & b^Ty\\
\text{s.t.}\quad & A^Ty\geq c
\end{aligned}
$$
假设标准形式的 LP 存在非退化的最优基可行解 $x^*$,即 $x^*$ 是基可行解,且 $x^*$ 是非退化的最优解。
由于 $x^*$ 是基可行解,所以存在 $A$ 的一个子矩阵 $B$,使得 $B$ 是可逆矩阵,且 $x_B=B^{-1}b$,$x_{N}=0$,其中 $B$ 是 $A$ 的列构成的矩阵。
由于 $x^*$ 是非退化的最优解,所以 $c^Tx^*=y^Tb$,其中 $y$ 是对偶问题的最优解。
现在,我们需要证明对偶问题存在唯一最优解 $y^*$。
假设存在两个不同的最优解 $y_1$ 和 $y_2$,使得 $y_1\neq y_2$。
由于 $A^Ty_1\geq c$ 和 $A^Ty_2\geq c$,所以 $A^T(y_1-y_2)\geq 0$。
又因为 $x_B=B^{-1}b$,$x_{N}=0$,所以 $Ax=b$ 可以写成 $Bx_B+Nx_N=b$,即 $Bx_B=b$。
将 $x_B=B^{-1}b$ 代入 $A^Ty_1\geq c$ 和 $A^Ty_2\geq c$ 中,得到 $N^Ty_1\geq c_B$ 和 $N^Ty_2\geq c_B$,其中 $c_B$ 是 $c$ 的一个子向量,对应于 $B$ 的列。
由于 $B$ 是可逆矩阵,所以 $c_B=B^T(B^{-1}c_B)$。
将 $c_B=B^T(B^{-1}c_B)$ 代入 $N^Ty_1\geq c_B$ 和 $N^Ty_2\geq c_B$ 中,得到 $N^T(y_1-B^{-1}c_B)\geq 0$ 和 $N^T(y_2-B^{-1}c_B)\geq 0$。
由于 $y_1\neq y_2$,所以 $y_1-B^{-1}c_B\neq y_2-B^{-1}c_B$。
由于 $B$ 是可逆矩阵,所以 $y_1-B^{-1}c_B$ 和 $y_2-B^{-1}c_B$ 可以表示为 $N^T$ 的线性组合。
因此,存在 $N^T$ 的一个非零向量 $d$,使得 $d^T(y_1-B^{-1}c_B)>0$ 和 $d^T(y_2-B^{-1}c_B)<0$。
由于 $Ax=b$,所以 $x_B=B^{-1}b$,$x_{N}=0$,所以 $x^*=B^{-1}b$。
将 $y_1$ 和 $y_2$ 代入 $c^Tx^*=y^Tb$ 中,得到 $c^Tx^*=y_1^Tb$ 和 $c^Tx^*=y_2^Tb$。
将 $y_1^Tb$ 和 $y_2^Tb$ 代入 $d^T(y_1-B^{-1}c_B)>0$ 和 $d^T(y_2-B^{-1}c_B)<0$ 中,得到 $d^Tb>0$ 和 $d^Tb<0$,这是一个矛盾。
因此,假设不成立,即对偶问题存在唯一最优解。
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