问题
mins.t.i=1∑n2w1∥pei−fh(θi)−pbi∗∥2+2w2∥θi−θi∗∥2L(pe−pe∗)=0,pei∈Pi,θi∈Θi(1)
近端算子
proxf(v)=argxminf(x)+21∥x−v∥2
可知x=proxf(v)等价于v−x∈∇f(x)。
紧凑形式
mins.t.f1(pe,θ)+f2(θ)+g1(pe)+g2(θ)L(pe−pe∗)=0(2)
拉格朗日函数
L(pe,θ,λ)=f1(pe,θ)+f2(θ)+λTL(pe−pe∗)+g1(pe)+g2(θ)(3)
根据KKT条件
000∈−∇pef1(p^e,θ^)−Lλ^−∂g1(p^e)∈−∇θf1(p^e,θ^)−∇f2(θ^)−∂g2(θ^)=L(p^e−pe∗)(4)
等价于
000=proxg1(p^e−∇pef1(p^e,θ^)−Lλ^)−p^e=proxg2(θ^−∇θf1(p^e,θ^)−∇f2(θ^))−θ^=L(p^e−pe∗)(5)
算法
p˙eθ˙λ˙=proxg1(pe−∇pef1(pe,θ)−Lλ)−pe=proxg2(θ−∇θf1(pe,θ)−∇f2(θ))−θ=L(pe+p˙e−pe∗)(6)
定理:假设图无向连通,且Slater条件满足。则
- (6)的平衡点李雅普诺夫稳定,解(pe(t),θ(t))有界;
- (pe(t),θ(t),λ(t))收敛,且limt→∞(pe(t),θ(t))是问题(2)的解。
证明:1、李雅普诺夫函数
V=21∥pe−p^e∥2+21∥θ−θ^∥2+21∥λ−λ^∥2+f2(θ)−f2(θ^)−(θ−θ^)T∇f2(θ^)+f1(pe,θ)−f1(p^e,θ^)−(pe−p^e)T∇pef1(p^e,θ^)−(θ−θ^)T∇θf1(p^e,θ^)
(6)的前两个等式可以重写为
p˙e+peθ˙+θ=proxg1(pe−∇pef1(pe,θ)−Lλ)=proxg2(θ−∇θf1(pe,θ)−∇f2(θ))
由x=proxf(v)等价于v−x∈∇f(x)可得
pe−∇pef1(pe,θ)−Lλ−(p˙e+pe)θ−∇θf1(pe,θ)−∇f2(θ)−(θ˙+θ)∈∂g1(p˙e+pe)∈∂g2(θ˙+θ)(7)
令(p^e,θ^,λ^)为(6)的平衡点。则由(5)可得
−∇pef1(p^e,θ^)−Lλ^−∇θf1(p^e,θ^)−∇f2(θ^)∈∂g1(p^e)∈∂g2(θ^)(8)
因为g1,g2是凸的,所以∂g1,∂g2单调。结合(7)(8)有
(−(∇pef1(pe,θ)−∇pef1(p^e,θ^))−L(λ−λ^)−p˙e)T(p˙e+pe−p^e)(−(∇θf1(pe,θ)−∇θf1(p^e,θ^))−(∇f2(θ)−∇f2(θ^))−θ˙)T(θ˙+θ−θ^)≥0(9)≥0(10)
由平衡点定义(5),得L(p^e−pe∗)=0。
由(9)得
−(∇pef1(pe,θ)−∇pef1(p^e,θ^))T(pe−p^e)−(λ−λ^)TL(pe+p˙e−pe∗)−p˙eTp˙e≥p˙eT(pe−p^e)+p˙eT(∇pef1(pe,θ)−∇pef1(p^e,θ^))
同理,由(10)得
−(∇θf1(pe,θ)−∇θf1(p^e,θ^))T(θ−θ^)−(∇f2(θ)−∇f2(θ^))T(θ−θ^)−θ˙Tθ˙≥θ˙T(θ−θ^)+θ˙T(∇θf1(pe,θ)−∇θf1(p^e,θ^))+θ˙T(∇f2(θ)−∇f2(θ^))
此外,
λ˙T(λ−λ^)=(λ−λ^)TL(pe+p˙e−pe∗)
综上所述,李雅普诺夫函数对时间的导数为
V˙=p˙eT(pe−p^e)+θ˙T(θ−θ^)+λ˙T(λ−λ^)+p˙eT(∇pef1(pe,θ)−∇pef1(p^e,θ^))+θ˙T(∇θf1(pe,θ)−∇θf1(p^e,θ^))+θ˙T(∇f2(θ)−∇f2(θ^))≤−p˙eTp˙e−θ˙Tθ˙−(∇pef1(pe,θ)−∇pef1(p^e,θ^))T(pe−p^e)−(∇θf1(pe,θ)−∇θf1(p^e,θ^))T(θ−θ^)−(∇f2(θ)−∇f2(θ^))T(θ−θ^)≤−∥p˙e∥2−∥θ˙∥2≤0
因为f1,f2是凸的,所以∇f1,∇f2单调,故第二个不等式成立。
因此(pe(t),θ(t),λ(t))→M,其中M是{(pe,θ,λ)∣p˙e=0,θ˙=0}中的最大不变集。对于任何起始于M的解轨迹(pˉe(t),θˉ(t),λˉ(t)),取(pˉe(0),θˉ(0),λˉ(0))∈M,都满足pˉe˙(t)≡0,θˉ˙(t)≡0,代入(5)得
λˉ˙(t)≡L(pˉe−pe∗)
那么λˉ˙(t)≡0,否则λˉ(t)趋于无穷大,与稳定性矛盾。因此M⊂{(pe,θ,λ)∣p˙e=0,θ˙=0,λ˙=0},即M里的每一个点都是平衡点。然后又有每个平衡点都李雅普诺夫稳定,故(pe,θ,λ)最终收敛到一个平衡点。