N-dimensional Box Constraint Problem
考虑没有泛函约束的有约束最小化问题:
x∈Bnminf(x)
其中Bn是一个Rn上的 n 维盒子:
Bn={x∈Rn∣0≤x(i)≤1,i=1⋯n}
lp范数:
Lipschitz 连续:函数 f(x) 在 Bn 上是 Lipschitz 连续的,若
∀x,y∈Bn,∣f(x)−f(y)∣≤L∣∣x−y∣∣∞
L 是某个 Lipschitz constant。
现介绍方法 G(p) :
-
构造 (p+1)n 个点,形成形如网格的结构:
x(i1,⋯,in)=(pi1,⋯,pin)⊤
其中 (i1,⋯,in)∈{0,⋯,p}
-
在以上所有点中找到具有最小目标函数
值的点,记为 x。
-
返回 (x,f(x))。
总结即:均匀网格法在盒子内构建了一个由测试点构成的均匀网格,在这个网格上计算目标函数的最小值,并返回这个最小值,作为问题 的逼近解。
Thm. 令$f^∗ $是问题的全局最优值。那么
f(xˉ)−f∗≤2pL
Pf. 假设 x∗ 是问题的全局最小点。若对于 x,y∈Rn,x≤yiff∀i=1⋯n,x(i)≤y(i),则存在一个坐标 (i1,⋯,in) 满足
x≡x(i1,⋯,in)≤x∗≤x(i1+1,⋯,in+1)≡y
注意到:y(i)−x(i)=p1 且 x∗(i)∈[x(i),y(i)],记 x^=2x+y,则根据 l∞ 范数的定义可构造一点:
x~={y(i),ifx∗(i)≥x^(i)x(i),otherwise
i=1⋯n,∣x~(i)−x∗(i)∣≤2p1,且该点是一个网格点。综上即
f(x^)−f(x∗)≤f(x~)−f(x∗)≤L∥x~−x∗∥∞≤2pL
考虑优化的误差 ϵ,有 2pL≤ϵ,即 p≥2ϵL。那么对每个维度,有p+1=⌊2ϵL⌋+2 个格点取值,共构造了 (p+1)n 个格点。即解析复杂度至多为
A(G)=(⌊2ϵL⌋+2)n
Lower Complexity Bound
重新考虑 N-dimensional Box Constraint Problem
, 考虑零阶局部黑盒抵抗 oracle
的工作:
定义问题类 \scr C:
- 模型: minx∈Bnf(x),$ f(x)$ 在 Bn 上是 ℓ∞−Lipschitz 连续的。
- Oracle: 零阶局部黑盒。
- 逼近解: 寻找xˉ∈Bn:f(xˉ)−f∗≤ϵ。
Thm .对于零阶方法,要取得 ϵ 精度,则 \scr C 的解析复杂度
至少为 (⌊2ϵL⌋)n。
注: 这里 ϵ<21L。且测试点不是按照前述的均分格点选取的。
Pf. 方便起见记 p=⌊2ϵL⌋(≥1)。 假定对于求解来自问题类 \scr l 的任意问题,存在一个方法需要 N<pn 次 oracle
调用。
设计以下的 抵抗策略
应用:在任何测试点 x ,oracle
返回 f(x)=0。即此方法只能寻找到xˉ∈Rn,f(xˉ)=0。
由于测试点的数量 N<pn,故必然存在 (Rmk.2)$\hat x ∈\mathbb B_n:\hat x + \frac{1}{p}e ∈\mathbb B_n, e = (1, . . . ,1)^⊤ ∈\mathbb R^n $使得一个区间 B={x∣x^≤x≤x^+p1e}中不含有任何测试点。
作偏移 x∗=x^+2p1e。则 x^=x∗−2p1e,B 可写作
{x∣x∗−2p1e≤x≤x∗+2p1e}≡{x∣ ∣∣x−x∗∣∣∞<2p1}
考虑 ℓ∞−Lipschitz 连续的性质,设计函数
fˉ(x)=min{0,L∣∣x−x∗∣∣∞−ϵ}
显然这是一个取非正值的函数,且只有在 L∣∣x−x∗∣∣∞−ϵ<0即 ∣∣x−x∗∣∣∞<Lϵ 时函数取值非零。将该区间记为 B′。
又 p=⌊2ϵL⌋(≥1),则 2(p+1)1<Lϵ≤2p1。那么
B′={x∣ ∣∣x−x∗∣∣∞<Lϵ}⊆B={x∣ ∣∣x−x∗∣∣∞<2p1}
即说明没有测试点落入函数取非零值的空间。也即所有的测试点 fˉ(x)=0。由于函数取值的非零说明 ∣f(x)−f(x∗)∣≤L∣∣x−x∗∣∣∞≤ϵ,即在调用 oracle
的数量小于 pn 时,结果的准确度不可能好于 ϵ。
- 函数 fˉ(x) 的 Lipschitz 连续性。
- 由于 N<pn,那么前述 x^ 一定存在。
反证法:若不存在,则若划一个均匀网格,格边长为 p1,那么此时每个格子中都有测试点。从而测试点的数量大于等于 pn,和条件矛盾。
综上,对于该问题,计算的上界是
(⌊2ϵL⌋+2)n
下界为
(⌊2ϵL⌋)n
如果 ϵ=O(nL),下界和上界乘上一个因子后是重合的。这说明 G(p) 是 \scr C 的一个优化的 optimal 方法。