A globally convergent neurodynamics optimization model for mathematical programming with equilibrium constraints

summary:This paper introduces a neurodynamics optimization model to compute the solution of mathematical programming with equilibrium constraints (MPEC). A smoothing method based on NPC-function is used to obtain a relaxed optimization problem. The optimal solution of the global optimization problem is estimated using a new neurodynamic system, which, in finite time, is convergent with its equilibrium point. Compared to existing models, the proposed model has a simple structure, with low complexity. The new dynamical system is investigated theoretically, and it is proved that the steady state of the proposed neural network is asymptotic stable and global convergence to the optimal solution of MPEC. Numerical simulations of several examples of MPEC are presented, all of which confirm the agreement between the theoretical and numerical aspects of the problem and show the effectiveness of the proposed model. Moreover, an application to resource allocation problem shows that the new method is a simple, but efficient, and practical algorithm for the solution of real-world MPEC problems

Descent methods with linesearch in the presence of perturbations

AbstractWe consider the class of descent algorithms for unconstrained optimization with an Armijo-type stepsize rule in the case when the gradient of the objective function is computed inexactly. An important novel feature in our theoretical analysis is that perturbations associated with the gradient are not assumed to be relatively small or to tend to zero in the limit (as a practical matter, we expect them to be reasonably small, so that a meaningful approximate solution can be obtained). This feature makes our analysis applicable to various difficult problems encounted in practice. We propose a modified Armijo-type rule for computing the stepsize which guarantees that the algorithm obtains a reasonable approximate solution. Furthermore, if perturbations are small relative to the size of the gradient, then our algorithm retains all the standard convergence properties of descent methods

Smoothing Gradient Tracking for Decentralized Optimization over the Stiefel Manifold with Non-smooth Regularizers

Recently, decentralized optimization over the Stiefel manifold has attacked tremendous attentions due to its wide range of applications in various fields. Existing methods rely on the gradients to update variables, which are not applicable to the objective functions with non-smooth regularizers, such as sparse PCA. In this paper, to the best of our knowledge, we propose the first decentralized algorithm for non-smooth optimization over Stiefel manifolds. Our algorithm approximates the non-smooth part of objective function by its Moreau envelope, and then existing algorithms for smooth optimization can be deployed. We establish the convergence guarantee with the iteration complexity of $\mathcal{O} (\epsilon^{-4})$. Numerical experiments conducted under the decentralized setting demonstrate the effectiveness and efficiency of our algorithm

On multiobjective optimization from the nonsmooth perspective

Practical applications usually have multiobjective nature rather than having only one objective to optimize. A multiobjective problem cannot be solved with a single-objective solver as such. On the other hand, optimization of only one objective may lead to an arbitrary bad solutions with respect to other objectives. Therefore, special techniques for multiobjective optimization are vital. In addition to multiobjective nature, many real-life problems have nonsmooth (i.e. not continuously differentiable) structure. Unfortunately, many smooth (i.e. continuously differentiable) methods adopt gradient-based information which cannot be used for nonsmooth problems. Since both of these characteristics are relevant for applications, we focus here on nonsmooth multiobjective optimization. As a research topic, nonsmooth multiobjective optimization has gained only limited attraction while the fields of nonsmooth single-objective and smooth multiobjective optimization distinctively have attained greater interest. This dissertation covers parts of nonsmooth multiobjective optimization in terms of theory, methodology and application. Bundle methods are widely considered as effective and reliable solvers for single-objective nonsmooth optimization. Therefore, we investigate the use of the bundle idea in the multiobjective framework with three different methods. The first one generalizes the single-objective proximal bundle method for the nonconvex multiobjective constrained problem. The second method adopts the ideas from the classical steepest descent method into the convex unconstrained multiobjective case. The third method is designed for multiobjective problems with constraints where both the objectives and constraints can be represented as a difference of convex (DC) functions. Beside the bundle idea, all three methods are descent, meaning that they produce better values for each objective at each iteration. Furthermore, all of them utilize the improvement function either directly or indirectly. A notable fact is that none of these methods use scalarization in the traditional sense. With the scalarization we refer to the techniques transforming a multiobjective problem into the single-objective one. As the scalarization plays an important role in multiobjective optimization, we present one special family of achievement scalarizing functions as a representative of this category. In general, the achievement scalarizing functions suit well in the interactive framework. Thus, we propose the interactive method using our special family of achievement scalarizing functions. In addition, this method utilizes the above mentioned descent methods as tools to illustrate the range of optimal solutions. Finally, this interactive method is used to solve the practical case studies of the scheduling the final disposal of the spent nuclear fuel in Finland.Käytännön optimointisovellukset ovat usein luonteeltaan ennemmin moni- kuin yksitavoitteisia. Erityisesti monitavoitteisille tehtäville suunnitellut menetelmät ovat tarpeen, sillä monitavoitteista optimointitehtävää ei sellaisenaan pysty ratkaisemaan yksitavoitteisilla menetelmillä eikä vain yhden tavoitteen optimointi välttämättä tuota mielekästä ratkaisua muiden tavoitteiden suhteen. Monitavoitteisuuden lisäksi useat käytännön tehtävät ovat myös epäsileitä siten, etteivät niissä esiintyvät kohde- ja rajoitefunktiot välttämättä ole kaikkialla jatkuvasti differentioituvia. Kuitenkin monet optimointimenetelmät hyödyntävät gradienttiin pohjautuvaa tietoa, jota ei epäsileille funktioille ole saatavissa. Näiden molempien ominaisuuksien ollessa keskeisiä sovelluksia ajatellen, keskitytään tässä työssä epäsileään monitavoiteoptimointiin. Tutkimusalana epäsileä monitavoiteoptimointi on saanut vain vähän huomiota osakseen, vaikka sekä sileä monitavoiteoptimointi että yksitavoitteinen epäsileä optimointi erikseen ovat aktiivisia tutkimusaloja. Tässä työssä epäsileää monitavoiteoptimointia on käsitelty niin teorian, menetelmien kuin käytännön sovelluksien kannalta. Kimppumenetelmiä pidetään yleisesti tehokkaina ja luotettavina menetelminä epäsileän optimointitehtävän ratkaisemiseen ja siksi tätä ajatusta hyödynnetään myös tässä väitöskirjassa kolmessa eri menetelmässä. Ensimmäinen näistä yleistää yksitavoitteisen proksimaalisen kimppumenetelmän epäkonveksille monitavoitteiselle rajoitteiselle tehtävälle sopivaksi. Toinen menetelmä hyödyntää klassisen nopeimman laskeutumisen menetelmän ideaa konveksille rajoitteettomalle tehtävälle. Kolmas menetelmä on suunniteltu erityisesti monitavoitteisille rajoitteisille tehtäville, joiden kohde- ja rajoitefunktiot voidaan ilmaista kahden konveksin funktion erotuksena. Kimppuajatuksen lisäksi kaikki kolme menetelmää ovat laskevia eli ne tuottavat joka kierroksella paremman arvon jokaiselle tavoitteelle. Yhteistä on myös se, että nämä kaikki hyödyntävät parannusfunktiota joko suoraan sellaisenaan tai epäsuorasti. Huomattavaa on, ettei yksikään näistä menetelmistä hyödynnä skalarisointia perinteisessä merkityksessään. Skalarisoinnilla viitataan menetelmiin, joissa usean tavoitteen tehtävä on muutettu sopivaksi yksitavoitteiseksi tehtäväksi. Monitavoiteoptimointimenetelmien joukossa skalarisoinnilla on vankka jalansija. Esimerkkinä skalarisoinnista tässä työssä esitellään yksi saavuttavien skalarisointifunktioiden perhe. Yleisesti saavuttavat skalarisointifunktiot soveltuvat hyvin interaktiivisten menetelmien rakennuspalikoiksi. Täten kuvaillaan myös esiteltyä skalarisointifunktioiden perhettä hyödyntävä interaktiivinen menetelmä, joka lisäksi hyödyntää laskevia menetelmiä optimaalisten ratkaisujen havainnollistamisen apuna. Lopuksi tätä interaktiivista menetelmää käytetään aikatauluttamaan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusta Suomessa

A Riemannian Optimization Approach to Clustering Problems

This paper considers the optimization problem in the form of $\min_{X \in \mathcal{F}_v} f(x) + \lambda \|X\|_1,$ where $f$ is smooth, $\mathcal{F}_v = \{X \in \mathbb{R}^{n \times q} : X^T X = I_q, v \in \mathrm{span}(X)\}$, and $v$ is a given positive vector. The clustering models including but not limited to the models used by $k$-means, community detection, and normalized cut can be reformulated as such optimization problems. It is proven that the domain $\mathcal{F}_v$ forms a compact embedded submanifold of $\mathbb{R}^{n \times q}$ and optimization-related tools including a family of computationally efficient retractions and an orthonormal basis of any normal space of $\mathcal{F}_v$ are derived. An inexact accelerated Riemannian proximal gradient method that allows adaptive step size is proposed and its global convergence is established. Numerical experiments on community detection in networks and normalized cut for image segmentation are used to demonstrate the performance of the proposed method

International Conference on Continuous Optimization (ICCOPT) 2019 Conference Book

The Sixth International Conference on Continuous Optimization took place on the campus of the Technical University of Berlin, August 3-8, 2019. The ICCOPT is a flagship conference of the Mathematical Optimization Society (MOS), organized every three years. ICCOPT 2019 was hosted by the Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) Berlin. It included a Summer School and a Conference with a series of plenary and semi-plenary talks, organized and contributed sessions, and poster sessions. This book comprises the full conference program. It contains, in particular, the scientific program in survey style as well as with all details, and information on the social program, the venue, special meetings, and more