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Let C ∈ R n be a closed, convex, nonempty set and y ∈ R n . Let further H ∈ R n×n be positive definite and consider the optimization problem

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Academic year: 2021

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Scientific Computing 2

Summer term 2017 Prof. Dr. Ira Neitzel Christopher Kacwin

Sheet 4 Submission on Thursday, 18.5.2017.

Exercise 1. (projection)

Let C ∈ R n be a closed, convex, nonempty set and y ∈ R n . Let further H ∈ R n×n be positive definite and consider the optimization problem

min x∈C f(x) = 1

2 (x − y) > H(x − y) .

Use an appropriate substitution to describe the solution of this problem in terms of a projection operator. Which form does the corresponding variational inequality take?

(4 points) Exercise 2. (Minkowski inequality)

Let 1 ≤ p ≤ q < ∞. Show the following inequality by considering an appropriate optimization problem:

1 n

n

X

i=1

|x i | p

! 1/p

≤ 1 n

n

X

i=1

|x i | q

! 1/q

(6 points) Exercise 3. (optimality conditions 1)

Consider the optimization problem

x∈ min R

3

f(x) = x 1 + x 2 2 + x 3 3 with constraint

g(x) = 1 − (x 2 1 + x 2 2 + x 2 3 ) ≤ 0 . a) Show that all points in the feasible set satisfy a CQ.

b) Verify that x = (1, 0, 0) > with λ = 0.5 satisfy the KKT conditions.

c) Compute ∇ 2 xx L(x , λ ).

d) Use the second order necessary optimality condition to show that x is not a local solution.

(4 points) Exercise 4. (optimality conditions 2)

a) Solve the following optimization problems and check necessary and sufficient opti- mality conditions.

(i)

( min f (x 1 , x 2 ) = (x 1 − 3) + x 2 2

x 2 1 − x 2 ≤ 0 (ii)

 

 

min f (x 1 , x 2 ) = (x 1 − 2) + (x 2 − 1) 2 x 2 1 − x 2 ≤ 0

x 1 + x 2 − 2 ≤ 0

1

(2)

b) Consider the optimization problem

x∈ min R

2

f (x) = x 2 + 1

2 (x 2 1 + x 2 2 ) with constraint

g(x) = −x 2 1 − x 2 ≤ 0 .

Show that x = (0, 0) > satisfies the KKT-conditions and verify that ∇ 2 f (x ) is positive definite on R 2 . Is x a local solution? Justify your answer.

(6 points)

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