Block Coordinate Descent算法的部分构造技巧

文章目录

  • 构造的目的
  • 定理
  • 另一篇中对于该定理的表述
  • 出处

构造的目的

通过增加辅助变量,使原来的非凸问题变为关于各个变量的凸子问题,交替优化各个辅助变量。

定理

Define an m m m by m m m matrix function
E ( U , V ) ≜ ( I − U H H V ) ( I − U H H V ) H + U H N U \mathbf{E}(\mathbf{U}, \mathbf{V}) \triangleq\left(\mathbf{I}-\mathbf{U}^{H} \mathbf{H} \mathbf{V}\right)\left(\mathbf{I}-\mathbf{U}^{H} \mathbf{H} \mathbf{V}\right)^{H}+\mathbf{U}^{H} \mathbf{N} \mathbf{U} E(U,V)(IUHHV)(IUHHV)H+UHNU
where N \mathbf{N} N is any positive definite matrix. The following three facts hold true.

  1.  For any positive definite matrix  E ∈ C m × m , we have  \text { For any positive definite matrix } \mathbf{E} \in \mathbb{C}^{m \times m} \text {, we have }  For any positive definite matrix ECm×m, we have 
    E − 1 = arg ⁡ max ⁡ W ≻ 0 log ⁡ det ⁡ ( W ) − Tr ⁡ ( W E ) \mathbf{E}^{-1}=\arg \max _{\mathbf{W} \succ \mathbf{0}} \log \operatorname{det}(\mathbf{W})-\operatorname{Tr}(\mathbf{W E}) E1=argW0maxlogdet(W)Tr(WE)
    (注:argmax表示找到使某个函数取得最大值的参数值)
    and
    − log ⁡ det ⁡ ( E ) = max ⁡ W ≻ 0 log ⁡ det ⁡ ( W ) − Tr ⁡ ( W E ) + m -\log \operatorname{det}(\mathbf{E})=\max _{\mathbf{W} \succ \mathbf{0}} \log \operatorname{det}(\mathbf{W})-\operatorname{Tr}(\mathbf{W E})+m logdet(E)=W0maxlogdet(W)Tr(WE)+m

  2.  For any positive definite matrix  W , we have  \text { For any positive definite matrix } \mathbf{W} \text {, we have }  For any positive definite matrix W, we have 
    U ~ ≜ arg ⁡ min ⁡ U Tr ⁡ ( W E ( U , V ) ) = ( N + H V V H H H H ) − 1 H V \begin{aligned} \tilde{\mathbf{U}} & \triangleq \arg \min _{\mathbf{U}} \operatorname{Tr}(\mathbf{W E}(\mathbf{U}, \mathbf{V})) \\ & =\left(\mathbf{N}+\mathbf{H V V} \mathbf{H}^{H} \mathbf{H}^{H}\right)^{-1} \mathbf{H V} \end{aligned} U~argUminTr(WE(U,V))=(N+HVVHHHH)1HV
    and
    E ( U ~ , V ) = I − U ~ H H V = ( I + V H H H N − 1 H V ) − 1 . \begin{aligned} \mathbf{E}(\tilde{\mathbf{U}}, \mathbf{V}) & =\mathbf{I}-\tilde{\mathbf{U}}^{H} \mathbf{H} \mathbf{V} \\ & =\left(\mathbf{I}+\mathbf{V}^{H} \mathbf{H}^{H} \mathbf{N}^{-1} \mathbf{H V}\right)^{-1} . \end{aligned} E(U~,V)=IU~HHV=(I+VHHHN1HV)1.

3) We have
log ⁡ det ⁡ ( I + H V V H H H N − 1 ) = max ⁡ W ≻ 0 , U log ⁡ det ⁡ ( W ) − Tr ⁡ ( W E ( U , V ) ) + m \begin{aligned} \log \operatorname{det}(\mathbf{I}+ & \left.\mathbf{H V} \mathbf{V}^{H} \mathbf{H}^{H} \mathbf{N}^{-1}\right) \\ & =\max _{\mathbf{W} \succ \mathbf{0}, \mathbf{U}} \log \operatorname{det}(\mathbf{W})-\operatorname{Tr}(\mathbf{W E}(\mathbf{U}, \mathbf{V}))+m \end{aligned} logdet(I+HVVHHHN1)=W0,Umaxlogdet(W)Tr(WE(U,V))+m

Facts 1) and 2) can be proven by simply using the first-order optimality condition, while Fact 3) directly follows from Facts 1) and 2) and the identity log ⁡ det ⁡ ( I + A B ) = log ⁡ det ⁡ ( I + B A ) \log \operatorname{det}(\mathbf{I}+\mathbf{A B})=\log \operatorname{det}(\mathbf{I}+\mathbf{B A}) logdet(I+AB)=logdet(I+BA) . We refer readers to [32], [33] for more detailed proof.

Next, using Lemma 4.1, we derive an equivalent problem of problem (5) by introducing some auxiliary variables. Define
E ( U , V ) ≜ ( I − U H H I V ) ( I − U H H I V ) H + U H U . \mathbb{E}(\mathbf{U}, \mathbf{V}) \triangleq\left(\mathbf{I}-\mathbf{U}^{H} \mathbf{H}_{I} \mathbf{V}\right)\left(\mathbf{I}-\mathbf{U}^{H} \mathbf{H}_{I} \mathbf{V}\right)^{H}+\mathbf{U}^{H} \mathbf{U} . E(U,V)(IUHHIV)(IUHHIV)H+UHU.

Then we have from Fact 3) that

log ⁡ det ⁡ ( I + H I V V H H I H ) = max ⁡ W I ≻ 0 , U log ⁡ det ⁡ ( W I ) − Tr ⁡ ( W I E ( U , V ) ) + d \begin{aligned} \log \operatorname{det}(\mathbf{I} & \left.+\mathbf{H}_{I} \mathbf{V} \mathbf{V}^{H} \mathbf{H}_{I}^{H}\right) \\ & =\max _{\mathbf{W}_{I} \succ 0, \mathbf{U}} \log \operatorname{det}\left(\mathbf{W}_{I}\right)-\operatorname{Tr}\left(\mathbf{W}_{I} \mathbb{E}(\mathbf{U}, \mathbf{V})\right)+d \end{aligned} logdet(I+HIVVHHIH)=WI0,Umaxlogdet(WI)Tr(WIE(U,V))+d

Furthermore, from Fact 1), we have

− log ⁡ det ⁡ ( I + H E V V H H E H ) = max ⁡ W E ≻ 0 log ⁡ det ⁡ ( W E ) − Tr ⁡ ( W E ( I + H E V V H H E H ) ) + N E . \begin{array}{l} -\log \operatorname{det}\left(\mathbf{I}+\mathbf{H}_{E} \mathbf{V} \mathbf{V}^{H} \mathbf{H}_{E}^{H}\right) \\ =\max _{\mathbf{W}_{E} \succ 0} \log \operatorname{det}\left(\mathbf{W}_{E}\right)-\operatorname{Tr}\left(\mathbf{W}_{E}\left(\mathbf{I}+\mathbf{H}_{E} \mathbf{V} \mathbf{V}^{H} \mathbf{H}_{E}^{H}\right)\right)+N_{E} . \end{array} logdet(I+HEVVHHEH)=maxWE0logdet(WE)Tr(WE(I+HEVVHHEH))+NE.

在这里插入图片描述

另一篇中对于该定理的表述

Physical Layer Security in Near-Field Communications

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

出处

https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7018097 lemma 4.1

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