3. SVM分类器求解(1)——Lagrange duality

先抛开上面的二次规划问题，先来看看存在等式约束的极值问题求法，比如下面的最优化问题：

目标函数是f(w)，下面是等式约束。通常解法是引入拉格朗日算子，这里使用来表示算子，得到拉格朗日公式为

是等式约束的个数。

然后分别对w和求偏导，使得偏导数等于0，然后解出w和。

然后我们探讨有不等式约束的极值问题求法，问题如下：

我们定义一般化的拉格朗日公式

这里的和都是拉格朗日算子。如果按这个公式求解，会出现问题，因为我们求解的是最小值，而这里的已经不是0了，我们可以将调整成很大的正值，来使最后的函数结果是负无穷。因此我们需要排除这种情况，我们定义下面的函数：

这里的P代表primal。假设或者，那么我们总是可以调整和来使得有最大值为正无穷。而只有g和h满足约束时，为f(w)。这个函数的精妙之处在于，而且求极大值。

因此我们可以写作

这样我们原来要求的min f(w)可以转换成求了。

我们使用来表示。如果直接求解，首先面对的是两个参数，而也是不等式约束，然后再在w上求最小值。这个过程不容易做，那么怎么办呢？

我们先考虑另外一个问题

D的意思是对偶，将问题转化为先求拉格朗日关于w的最小值，将和看作是固定值。之后在求最大值的话：

这个问题是原问题的对偶问题，相对于原问题只是更换了min和max的顺序，而一般更换顺序的结果是，如。 然而在这里两者相等。用来表示对偶问题如下：

下面解释在什么条件下两者会等价。假设f和g都是凸函数，h是仿射的（affine，there exists、，so that）。并且存在w使得对于所有的i，。在这种假设下，一定存在使得是原问题的解，同时也是对偶问题的解，即，此时满足库恩-塔克条件（Karush-Kuhn-Tucker, KKT condition），条件如下：

所以如果满足了库恩-塔克条件，那么他们就是原问题和对偶问题的解。让我们再次审视公式（5），这个条件称作是KKT dual complementarity条件。这个条件隐含了如果，那么。也就是说，时，w处于可行域的边界上，这时才是起作用的约束。而其他位于可行域内部（的）点都是不起作用的约束，其。

KKT的总体思想是将极值会在可行域边界上取得，也就是不等式为0或等式约束里取得，而最优下降方向一般是这些等式的线性组合，其中每个元素要么是不等式为0的约束，要么是等式约束。对于在可行域边界内的点，对最优解不起作用，因此前面的系数为0。上述数学知识可参见凸优化教程《Convex Optimization》——Stephen Boyd