ADMM算法

算法迭代过程

1. 典型优化问题形式

2. 迭代过程

增广拉格朗日函数

ADMM迭代

其中 为步长, 通常取

3. 收敛准则

  • 全局最优性条件:
  • 单步迭代最优性条件:
    的更新:

的更新:

算法收敛理论

基本假设

  1. 适当闭凸函数,ADMM 子问题 有唯一解;
  2. 原问题 最优解集非空, 且Slater条件成立, 即:

收敛性

若基本假设成立且 列满秩,取 ,则ADMM 算法产生的迭代点列 收敛到原问题 的一个KKT点对.
分析:

  • 证明点列收敛: 即
  • 证明原始可行性: 即
  • 证明对偶可行性(KKT条件): 即 使得,

Proof.

其中 是一个KKT点对,即其满足:


  • 先证明: 设 为ADMM产生一个迭代序列,则

Proof.

  • 先证 : 对 ,由子问题(3)的最优性条件可知, 代入前式得, 根据 的定义以及 可知: .
  • 再证 : 对 ,由子问题 (4) 的最优性条件可知, 又由 根据 的定义以及 . 故第一个命题得证.
  • 然后证明 的下降性. 由第一个命题结论, 以及 是KKT点有以下四式成立:

由于 是凸函数, 于是他们的次微分算子具有单调性, 即若有 则有 因此:

的定义代入,得到

再由等式 知:

上面两式相加得到:

的定义知有恒等式:

代入上不等式可得:

接下来, 估计 的上界. 引入新符号:

的定义知: . 因 凸,由其次微分算子的单调性知:

即:

从而有

因此, 不等式 可以放缩成:

利用恒等式 可得:

从而:

将目标不等式按照定义展开得:

除了 中的项,其余项均出现在
下面分两种情形讨论:

  1. : 此时 ,根据基本不等式

代入 得:

  1. : 此时 ,根据基本不等式

同样代入不等式 可以得到

综合两种情况知,原命题得证.


  • 再证明全序列收敛到一个KKT点
    序列下降性可知 是有界序列,结合 的定义式

可知 均有界. 根据三角不等式 可推出 也是有界序列.
由于 是列满秩矩阵, 于是 ,即 . 结合

可得 有界. 再由 有界,可知 是有界序列. 考虑到 序列下降性以及 有界,可知:

这表明

由于 是有界序列,因此存在一个收敛子列,设 . 由 的定义式

再由结论 可知 相应的子列也收敛。从而

知,由次梯度映射的图像是闭集可知

可知 这表明 是原问题 的一个 KKT 对。因此上述分析中的 均可替换为 . 注意到 是单调下降的,并且对子列

进一步由 知:

注意到 ,再运用:

故全序列 收敛到KKT点