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第一章 全局优化 1.1 全局优化简介
定义 (上半连续) 同理,f 在 x ∈ S 点上半连续是指,对于 S 中任意一个收敛到 ∆x 的点列
{x
1
, x
2
, · · · , },有 f( lim
i→∞
x
i
) ⩾ lim
i→∞
supf(x
i
) 即 f(x) ⩾ lim
y →x
supf(y)。
定义 (连续) 如果 f 在 x 点处上半连续又下半连续,则 f 在 x 点处连续。
定理 设 S 是 R
n
中一个非空紧集,如果 f(x) 是 S 上的下半连续函数,那么 f(x) 在 S 上
至少有一个全局极小点;如果 f(x) 是 S 上的上半连续函数,则 f(x) 在 S 上至少有一个全局极
大点。
注:若上述定理中 f 是连续的,则结论称为 Weierstrass 定理。
定义 (函数的下境图) 函数 f 的下境图 (hypograh) 定义为
hyp(f) = {(x, y)|y ⩽ f(x), x ∈ S, y ∈ R} ⊂ R
n+1
定义 (函数的上境图) 函数 f 的上境图 (epigraph) 定义为
epi(f) = {(x, y)|y ⩽ f(x), x ∈ S, y ∈ R} ⊂ R
n+1
定理 f 是 S 下半连续的等价于,∀∂ ∈ R,水平集 L(f, ∂) 是闭的,等价于上镜图 epi(f) 在
R
n+1
中是闭集。
定义 (强制) f : R
n
→ R 是强制的指 lim
∥x∥→∞
f(x) = +∞
定理 若 f(x) 是强制的,并且下半连续,则 lim
x∈R
n
f(x) 至少有一个全局极小点。
定义 (次梯度) 一个向量 p 称为凸函数 f : S → R 在 x ∈ S 的次梯度,指
f(y) ⩾ f(x) + p
T
(y − x) ∀y ∈ S
定义 (次微分) f 在 x 点的所有次梯度的集合称为 f 在 x 点的次微分,记为 ∂f(x),若
∂f(x) = ϕ,则 f 在 x 点次可微。
性质:f 在 x 点的次微分 ∂f (x) 是一个闭凸集,特别地,若 f 在 x 点是次可微的,则
∂f(x) = {∇f(x)}。在一般情形下,∂f (x) 可能是空集。
给定一个紧凸集 S ⊂ R
n
,和凹函数 f : S → R,则 f 可以在 S 的某个极点取得全局极小
点。并且,若 f 是严格凹函数,它的全局极小值只能出现在 S 的极点处。
1.1.4 凸包络
定义 (凸包络) 设 S ⊆ R
n
是一个非空凸集,f : S → R 是下半连续函数。f 在 S 上的凸包
络是指满足如下性质的函数 F (x):
¬F (x) 在 S 上是凸的
对于所有 x ∈ S,F (x) ⩽ f (x)
®对于任意一个定义在 S 上的凸函数 h(x),∀x ∈ S, h(x) ⩽ f (x),则 ∀x ∈ S,有 h(x) ⩽ F (x)。
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