京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
本文将探究一个被称为二次规划的优化问题,这是一种特殊形式的非线性约束优化问题。二次规划在许多领域都有运用,比如投资组合优化、求解支持向量机(SVM)分类问题等。在R中求解二次规划有许多包,这次,我们将讨论一下quadprog包。在我们开始讲解案例之前,我们将先简短地介绍一下二次规划的机理。
对于一个二次规划问题,首先要考虑的就是一个二次目标函数:
Q(x)=12xTDx−dTx+c.
这里 x 在 ℝn 中是一个向量, D 是一个n×n 的对称正定矩阵,在 ℝn 中 d 是常数项约束,c 是一个标量常数。Q(x)函数通常以二次函数的形式出现,并且它高维的通项表达式是:
q(x)=ax2+bx+c
Q(x)的关键特性在于这是一个凸函数。
我们也对向量x构造一个线性约束集合,即x ∈ℝn。
我们把这些约束写成:
Ax=fBx≥g
这里,A 是一个 m1×n 的矩阵且约束为 m1≤n,BB 是一个 m2×n 的矩阵.向量 f 和向量 g的长度分别是m1和m2.
这是一种让我们可以充分考虑实际条件的标准型。比如我们让 x 强制满足
∑i=1nxi=1
的求和条件,或者满足ai≤xi≤bi的区间约束。接下来,我们将介绍如何将这些约束转化为矩阵表达。
用这个符号系统,我们可以简洁表示二次规划 (QP):
{minimizex∈ℝn:Q(x)=12xTDx−dTx+csubjectto:Ax=fBx≥g
考虑目标函数:
Q(x,y)==12[xy][2−1−12][xy]−[−32][xy]+4x2+y2−xy+3x−2y+4.
我们这个约束条件下的可行域内寻求最小化:
yyy≥≥≤2−x−2+x3.
我们可以找到这个可行域的顶点并在R画出整个可行域:
plot(0, 0, xlim = c(-2,5.5), ylim = c(-1,3.5), type = "n", xlab = "x", ylab = "y", main="Feasible Region") polygon(c(2,5,-1), c(0,3,3), border=TRUE, lwd=4, col="blue")
SHAPE \* MERGEFORMAT
想要用quadprog包求解二次规划,我们需要同时转化我们的目标函数和约束条件为矩阵形式。这里是官方文档的说明:
This routine implements the dual method of Goldfarb and Idnani (1982, 1983) for solving quadratic programming problems of the form min(-d^T b + 1/2 b^T D b) with the constraints A^T b >= b_0.
可惜官方文档多可读性不高,我们很难得知如何准确地转化二次型Q(x,y)为一个矩阵形式。首先,我们观察到,对于任意常数 c, 都存在MinQ(x,y)+c 和 Q(x,y)的解相等。因此,我们可以忽略二次规划中的常数项:
D=[2−1−12]d=[−32].
我们可以写出约束方程的矩阵形式:
⎡⎣⎢⎢1−1011−1⎤⎦⎥⎥[xy]≥⎡⎣⎢⎢2−2−3⎤⎦⎥⎥
因此:
A=⎡⎣⎢⎢1−1011−1⎤⎦⎥⎥Tb0=⎡⎣⎢⎢2−2−3⎤⎦⎥⎥
quadprog包默认是求解最小化问题,目标函数二次,约束一次。所以,我们的约束条件默认的形式也就是AX>=bvec。通常我们需要把一些原来是求极大值的问题或者<=约束通过乘以负号来转化。
这是R的完整实现:
· 参数Dmat表示海赛矩阵
· 参数dvet表示一阶向量,和Dmat的维数要相对应。
· 参数Amat表示约束矩阵,默认的约束都是是>=。
· 参数bvet表示右边值,由向量,和Amat的维数要相对应。
· 参数 meq 表示从哪一行开始Amat矩阵中的约束是需要被当作等式约束的。
(1/6,11/6) 点是唯一满足约束条件和 Q(x,y)的最小化目标,但 (−4/3,1/3)点才是 Q(x,y) 的最小值点。iterations,Lagrangian 和 iact 都是用来描述quadprog算法性能的。对于这些值之后我们将进一步讨论。现在,让我们先可视化二次规划的解。为此,我们在Q(x,y)的可行域边界添加一个外侧的等高线图。
在图中,深绿色区域表示Q(x,y) 表面目标函数值较小的解,而亮色表示目标函数值较大的解。红点是Q(x,y)的全局最小值点,而黄点表示二次规划的解。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在MySQL数据库优化中,分区表是处理海量数据的核心手段——通过将大表按分区键(如时间、地域、ID范围)分割为多个独立的小分区 ...
2026-03-19在商业智能与数据可视化领域,同比、环比增长率是分析数据变化趋势的核心指标——同比(YoY)聚焦“长期趋势”,通过当前周期与 ...
2026-03-19在数据分析与建模领域,流传着一句行业共识:“数据决定上限,特征决定下限”。对CDA(Certified Data Analyst)数据分析师而言 ...
2026-03-19机器学习算法工程的核心价值,在于将理论算法转化为可落地、可复用、高可靠的工程化解决方案,解决实际业务中的痛点问题。不同于 ...
2026-03-18在动态系统状态估计与目标跟踪领域,高精度、高鲁棒性的状态感知是机器人导航、自动驾驶、工业控制、目标检测等场景的核心需求。 ...
2026-03-18“垃圾数据进,垃圾结果出”,这是数据分析领域的黄金法则,更是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师日常工作中时刻恪守的 ...
2026-03-18在机器学习建模中,决策树模型因其结构直观、易于理解、无需复杂数据预处理等优势,成为分类与回归任务的首选工具之一。而变量重 ...
2026-03-17在数据分析中,卡方检验是一类基于卡方分布的假设检验方法,核心用于分析分类变量之间的关联关系或实际观测分布与理论期望分布的 ...
2026-03-17在数字化转型的浪潮中,企业积累的数据日益庞大且分散——用户数据散落在注册系统、APP日志、客服记录中,订单数据分散在交易平 ...
2026-03-17在数字化时代,数据分析已成为企业决策、业务优化、增长突破的核心支撑,从数据仓库搭建(如维度表与事实表的设计)、数据采集清 ...
2026-03-16在数据仓库建设、数据分析(尤其是用户行为分析、业务指标分析)的实践中,维度表与事实表是两大核心组件,二者相互依存、缺一不 ...
2026-03-16数据是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师开展一切工作的核心载体,而数据读取作为数据生命周期的关键环节,是连接原始数 ...
2026-03-16在用户行为分析实践中,很多从业者会陷入一个核心误区:过度关注“当前数据的分析结果”,却忽视了结果的“泛化能力”——即分析 ...
2026-03-13在数字经济时代,用户的每一次点击、浏览、停留、转化,都在传递着真实的需求信号。用户行为分析,本质上是通过收集、整理、挖掘 ...
2026-03-13在金融、零售、互联网等数据密集型行业,量化策略已成为企业挖掘商业价值、提升决策效率、控制经营风险的核心工具。而CDA(Certi ...
2026-03-13在机器学习建模体系中,随机森林作为集成学习的经典算法,凭借高精度、抗过拟合、适配多场景、可解释性强的核心优势,成为分类、 ...
2026-03-12在机器学习建模过程中,“哪些特征对预测结果影响最大?”“如何筛选核心特征、剔除冗余信息?”是从业者最常面临的核心问题。随 ...
2026-03-12在数字化转型深度渗透的今天,企业管理已从“经验驱动”全面转向“数据驱动”,数据思维成为企业高质量发展的核心竞争力,而CDA ...
2026-03-12在数字经济飞速发展的今天,数据分析已从“辅助工具”升级为“核心竞争力”,渗透到商业、科技、民生、金融等各个领域。无论是全 ...
2026-03-11上市公司财务报表是反映企业经营状况、盈利能力、偿债能力的核心数据载体,是投资者决策、研究者分析、从业者复盘的重要依据。16 ...
2026-03-11