2006 The distance between two convex sets
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2006 The distance between two convex sets
几何,凸集,凸多面体国外文献
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http://wendang.chazidian.com/locate/laa
Thedistancebetweentwoconvexsets
AchiyaDax?
HydrologicalService,P.O.Box36118,Jerusalem91360,Israel
Received2February2005;accepted19March2006
SubmittedbyA.Berman
Abstract
Inthispaperweexplorethedualityrelationsthatcharacterizeleastnormproblems.ThepaperstartsbypresentinganewMinimumNormDuality(MND)theorem,onethatconsidersthedistancebetweentwoconvexsets.Roughlyspeakingthenewtheoremsaysthattheshortestdistancebetweenthetwosetsisequaltothemaximal“separation”betweenthesets,wheretheterm“separation”referstothedistancebetweenapairofparallelhyperplanesthatseparatesthetwosets.
Thesecondpartofthepaperbringsseveralexamplesofapplications.Theexamplesteachvaluablelessonsabouttheroleofdualityinleastnormproblems,andrevealnewfeaturesoftheseproblems.Onelessonexposesthepolardecompositionwhichcharacterizesthe“solution”ofaninconsistentsystemoflinearinequalities.AnotherlessonrevealsthecloselinksbetweentheMNDtheorem,theoremsofthealternatives,steepestdescentdirections,andconstructiveoptimalityconditions.
©2006ElsevierInc.Allrightsreserved.
Keywords:Anewminimumnormdualitytheorem;Thedistancebetweentwoconvexpolytopes;Thedistancebetweentwoellipsoids;Linearleastnormproblems;Inconsistentsystemsoflinearinequalities;Thepolardecompositionoftheleastdeviationproblem;Theoremsofthealternatives;Steepestdescentdirections;Constructiveoptimalityconditions;Thedoubleroleofdualityinleastnormproblems
1.Introduction
LetYbeanonemptyclosedconvexsetandletzbesomepointoutsideY.Thebestapproxima-tionproblemisto?ndapointy?∈YwhichisclosesttozamongallthepointsofY.Theinterestinthisproblemiscommontoseveralbranchesofmathematics,suchasApproximationTheory,FunctionalAnalysis,ConvexAnalysis,Optimization,NumericalLinearAlgebra,Statistics,andTel.:+97226442506;fax:+97226442529.
E-mailaddress:dax20@water.gov.il
0024-3795/$-seefrontmatter(2006ElsevierInc.Allrightsreserved.doi:10.1016/j.laa.2006.03.022
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A.Dax/LinearAlgebraanditsApplications416(2006)184–213
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Fig.1.TheNirenberg–LuenbergerMNDtheorem.
other?elds.However,thedualitypropertiesofthisproblemarenotquitewellknownbehindtheHahn–Banachtheoryonboundedlinearfunctionalsinnormedlinearvectorspaces.Oneaimofthispaperis,therefore,topointattentiontotheelegancyofthedualityrelationswhichcharacterizethebestapproximationproblem.AsecondaimistoshowthatinRmtheseresultscanbederivedfromsimplegeometricarguments,withoutinvokingtheHahn–BanachtheoremorthedualitytheoremsofLagrangeandFenchel.Athirdaimofthispaperistoestablishanewdualitytheorem,onethatconsidersthedistancebetweentwoconvexsets.
TheMinimumNormDuality(MND)theoremconsidersthedistancebetweenapointzandaconvexsetY.ItsaysthattheshortestdistancefromztoYisequaltothemaximumofthedistancesfromztoanyhyperplaneseparatingzandY(seeFig.1).Thisfundamentalobservationgivesrisetoseveralusefuldualityrelationsinbestapproximationproblems,linearleastnormproblems,andtheoremsofthealternative.Asfarasweknow,the?rststatementoftheMNDtheoremisduetoNirenberg[40],whoestablishedthisassertioninanynormedlinearspacebyapplyingtheHahn–Banachtheorem.Thename“MNDtheorem”wascoinedbyLuenberger[29],whoalsoderivedthe“alignment”relationbetweenprimalanddualsolutions.
ThenewMNDtheoremconsidersthedistancebetweentwoconvexsets.Roughlyspeakingitsaysthattheshortestdistancebetweenthetwosetsisequaltothemaximal“separation”betweenthesets,wheretheterm“separation”referstothedistancebetweenapairofparallelhyperplanesthatseparatesthetwosets(seeFig.2).
InordertodistinguishbetweenthetwoMNDtheoremswerefertothe?rstoneastheNi-renberg–LuenbergerMNDtheorem.(AlthoughitisquitepossiblethatthetheoremwasknownearlierasresultofthegeometricHahn–Banachtheorem.)ItisnotedinthelastsectionthatthenewMNDtheoremcanbederivedfromthe?rstone.However,whileformerproofsofthe
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Fig.2.ThenewMNDtheorem.
Nirenberg–LuenbergertheoremrelyontheHahn–Banachtheoreminageneralnormedlinearvectorspace,e.g.,[19,20,27,29,40],thereareseveralpracticalapplicationswhichconsiderconvexsetsinRm.Seethesecondpartofthepaper.Thisraisesthequestionofwhetherwecan?ndadirectproofthatdoesnotrelyontheHahn–Banachtheory.Afurtheraimofthispaperis,therefore,toprovideanelementaryproofwhichisbasedonsimplegeometricideas.ForthispurposethecomingdiscussionisrestrictedtoconvexsetsinRm.
Theplanofourpaperisasfollows.The?rstpartcontainsnecessarybackground.Section2explainsthebasicfactsondualnormsandalignment.Section3derivesanexplicitformulaforthedistancebetweenapointandhyperplane.Thisformulaisusedtocalculatethedistancebetweentwoparallelhyperplanes.ThenecessaryfactsonsupportfunctionsandseparatinghyperplanesaregiveninSection4.ThereaderwhoisfamiliarwiththeseissuesmayskiptoSection5,inwhichthenewMNDtheoremisproved.
Thesecondpartofthepaperbringsseveralexamplesofapplications.Theexamplesteachvaluablelessonsaboutdualityinlinearleastnormproblems,andrevealseveralnewfeaturesoftheseproblems.Onelessonexposestheroleofthepolardecompositionwhen“solving”aninconsistentsystemoflinearinequalities.AnotherlessonrevealsthecloselinksbetweentheMNDtheorem,theoremsofthealternative,steepestdescentdirections,andconstructiveoptimalityconditions.
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Part1:Anewminimumnormdualitytheorem
2.Normsandduality
AnormonRmisareal-valuedfunction??·??whichmapseachvectorxinRmintoarealnumber??x??andsatis?esthefollowingthreerequirements:
(a)??x?? 0?x∈Rmand??x??=0?x=0;
(b)??x+z??????x??+??z???x,z∈Rm;
(c)??ax??=|a|·??x???a∈R,x∈Rm.
Recallthat??x??isaconvexfunctionwhiletheunitnormball
B={x|??x????1}
isaclosedboundedconvexsetwhichcontainstheorigininitsinterior;seeRefs.[25,49].Thedualnormto??·??isdenotedby??·????.Thisnormisobtainedfrom??·??inthefollowingway.Givenavectorz∈Rm,then??z????isde?nedbythefollowingrule:
??z????=maxxTz.??x????1
Forthesakeofclaritywementionthat
xz=Tm??
i=1xiziforallx=(x1,...,xm)T∈Rmandz=(z1,...,zm)T∈Rm.
SinceBisacompactset,theoptimalvalueisattainedforsomevectorx∈B.Theabovede?nitionimpliesthegeneralHölderinequality
|xTz|????x????z????,
xTz=??x????z????
issaidtobealignedwithrespectto??·??or??·????.
AwellknownexampleofdualnormsinRmisrelatedtothe??pnorm
??1/p??m??|xi|p,??x??p=
i=1?x,z∈Rm,andthat??·??isthedualnormto??·????.Apairofvectorsthatsatisfytheequality
where1<p<∞isarealnumber.Thedualnormisthe??qnorm
??1/q??m??|zi|q,??z??q=
i=1
whereq=p/(p?1).Thatis,1/p+1/q=1.Thispairofdualnormssatis?estheHölderinequality
m??
i=1|xizi|????x??p??z??q,
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andthevectorsxandzarealignedifandonlyif
sign(xi)=sign(zi)and(|xi|/??x??p)1/q=(|zi|/??z??q)1/pfori=1,...,m,
e.g.,[29]or[54].Similardualityrelationsholdbetweenthe??1norm
m????x??1=|xi|
i=1
andthe??∞norm
??z??∞=max|zi|,i=1,...,m
butthealignmentrelationsneedsomecorrections.Whenp=q=2weobtaintheEuclideannorm,??1/2??m????x??2=(xTx)1/2=xi2,
i=1
whichisprivilegedtobeitsowndual.
LetzbeagivenpointinRm.Then,x∈Rmisadualvectorofzwithrespectto??·??ifitsatis?es??x??=1andxTz=??z????.Theuniquenessofthedualvectorisrelatedtothequestionofwhether??·??isastrictlyconvexnorm.Recallthatanorm??·??issaidtobestrictlyconvexiftheunitsphere{x|??x??=1}containsnolinesegment.Now,onecanverifythatanorm??·??isstrictlyconvexifandonlyifeachz∈Rmhasauniquedualvector.
Anorm??·??iscalledsmoothif,ateachboundarypointofB,thereisauniquehyper-planethatsupportsB.OfcourseasmoothnormisnotnecessarilystrictlyconvexandviceTu=nTx}beaversa.However,thereareinterestinglinksbetweentheseproperties.Let{u|n000msupportinghyperplaneofBatapointx0,??x0??=1,withanormalvectorn0∈R.Thatis,Tx??nTx?x∈B.(TheexistenceofasupportinghyperplaneisestablishedinSection4.)Then000
lastinequalitymeansthatx0isadualvectorofn0withrespectto??·??.Thisshowsthatx0andn0arealignedandthatn0/??n0????isadualvectorofx0withrespectto??·????(seeFig.3).Therefore,ifthereismorethanonesupportinghyperplaneatx0,thenthedualvectorofx0withrespectto??·????isnotunique.Inotherwords,??·????isstrictlyconvexifandonlyif??·??issmooth.Itisalsoworthwhilementioningthatanormissmoothifandonlyifitiscontinuouslydifferentiableateachpointx=/0;e.g.,[44,pp.113–118].Forfurtherdiscussionofdualnormsandtheirpropertiessee
[18,25,26,46,54].
3.Thedistancebetweenparallelhyperplanes
Let??·??besomearbitrarynorminRmandlet??·????denotethecorrespondingdualnorm.AhyperplaneinRmisasetoftheform
H={x|aTx=α},
wherea∈Rmandα∈R.ThedistancebetweenHandapointz∈Rmisde?nedas
dist(z,H)=inf??z?x??.x∈H
Assume?rstthatzliesinthepositivesideofH.Thatis,aTz>α.Inthiscaseonecanverifythat
(3.1)dist(z,H)=(aTz?α)/??a????.
Otherwise,whenzliesinthenegativesideofH,
dist(z,H)=(α?aTz)/??a????.
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