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Thema: Konvex/konkav, Konvexität, Optimierung, Optimierungsaufgabe, Mathematische optimierung

Ich studiere Electronic Engineering. Und als Vertiefungs nun lerne ich convex optimization bzw. wirless communication system.

Leider habe ich echt viele Probleme in diesen Hausaufgaben. Es wäre echt super, wenn Sie mir hilfen könnten.
Die Frage sind relativ viel... 5 Aufgaben. Dafür entschuldige ich mich. Trotzdem brauche ich unbedingt Ihre Hilfe.
Danke für Ihre Bemühung
unknown.png

Text erkannt:

Problem 2 (10pts). The Bregman distance with a convex function \( \phi(x) \) is defined as
$$ d(x, y)=\phi(x)-\phi(y)-\nabla \phi(y)^{T}(x-y) . $$
Q. When \( \phi(x)=-\sum \limits_{i=1}^{n} \sqrt{1-x_{i}^{2}} \) with \( \operatorname{dom}(\phi)=[-1,1]^{n} \). Find the corresponding
Bregman distance.

unknown3.png

Text erkannt:

Problem 3 (20pts). Consider the following equality constrained optimization
problem:
$$ \operatorname{minimize}\|\mathbf{A} x-b\|_{2}^{2} $$
subject to \( \mathbf{G} x=h \)
where \( \mathbf{A} \in \mathbb{R}^{m \times n} \) with \( \operatorname{rank}(\mathbf{A})=n \) and \( \mathbf{G} \in \mathbb{R}^{p \times n} \) with \( \operatorname{rank}(\mathbf{G})=p \).
Q. Find the primal solution \( x^{\star} \) and the dual solution \( v^{\star} \).

unknown4.png

Text erkannt:

Problem 4 (30pts). For any function \( f \) (convex or not), we can define its conjugate
\( f^{*} \) such as
$$ f^{*}(y)=\max _{x} y^{T} x-f(x) $$
Recall that \( f(x)+f^{*}(y) \geq x^{T} y \) for all \( x, y . \) We assume that \( f \) is closed.
a) Show that \( f^{* *} \leq f \).
b) Prove that \( f^{* *} \) is the pointwise maximum of all affine functions that
underestimate \( f \), i.e., \( f^{* *}(x)=\max \{g(x): g \) is affine, \( g \leq f\} \).
c) Assuming \( f \) is convex, show that \( f^{* *}=f \).
d) Assuming \( f \) is convex, show that \( x \in \partial f^{*}(y) \leftrightarrow y \in \partial f(x) \).

unknown5.png

Text erkannt:

Problem 5 (20pts). Prove the following theorem (for the convergence of Bregman
Proximal Gradient (BPF)).

Theorem. BPF has \( O\left(\frac{1}{k}\right) \) convergence when \( f \) is smooth relative to \( h \), namely, when
\( D_{f}(y, x) \leq L \cdot D_{h}(y, x) \) for all \( x, y \in \operatorname{dom}(f) \). Note that \( D_{f}(\because) \) and \( D_{h}(\because) \) denote the
Bregman distances associated with the convex functions \( f \) and \( h \), respectively.

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