Conditional Gradient Methods

The purpose of this survey is to serve both as a gentle introduction and a coherent overview of state-of-the-art Frank--Wolfe algorithms, also called conditional gradient algorithms, for function minimization. These algorithms are especially useful in convex optimization when linear optimization is cheaper than projections. The selection of the material has been guided by the principle of highlighting crucial ideas as well as presenting new approaches that we believe might become important in the future, with ample citations even of old works imperative in the development of newer methods. Yet, our selection is sometimes biased, and need not reflect consensus of the research community, and we have certainly missed recent important contributions. After all the research area of Frank--Wolfe is very active, making it a moving target. We apologize sincerely in advance for any such distortions and we fully acknowledge: We stand on the shoulder of giants.Comment: 238 pages with many figures. The FrankWolfe.jl Julia package (https://github.com/ZIB-IOL/FrankWolfe.jl) providces state-of-the-art implementations of many Frank--Wolfe method

Antecipação na tomada de decisão com múltiplos critérios sob incerteza

Orientador: Fernando José Von ZubenTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A presença de incerteza em resultados futuros pode levar a indecisões em processos de escolha, especialmente ao elicitar as importâncias relativas de múltiplos critérios de decisão e de desempenhos de curto vs. longo prazo. Algumas decisões, no entanto, devem ser tomadas sob informação incompleta, o que pode resultar em ações precipitadas com consequências imprevisíveis. Quando uma solução deve ser selecionada sob vários pontos de vista conflitantes para operar em ambientes ruidosos e variantes no tempo, implementar alternativas provisórias flexíveis pode ser fundamental para contornar a falta de informação completa, mantendo opções futuras em aberto. A engenharia antecipatória pode então ser considerada como a estratégia de conceber soluções flexíveis as quais permitem aos tomadores de decisão responder de forma robusta a cenários imprevisíveis. Essa estratégia pode, assim, mitigar os riscos de, sem intenção, se comprometer fortemente a alternativas incertas, ao mesmo tempo em que aumenta a adaptabilidade às mudanças futuras. Nesta tese, os papéis da antecipação e da flexibilidade na automação de processos de tomada de decisão sequencial com múltiplos critérios sob incerteza é investigado. O dilema de atribuir importâncias relativas aos critérios de decisão e a recompensas imediatas sob informação incompleta é então tratado pela antecipação autônoma de decisões flexíveis capazes de preservar ao máximo a diversidade de escolhas futuras. Uma metodologia de aprendizagem antecipatória on-line é então proposta para melhorar a variedade e qualidade dos conjuntos futuros de soluções de trade-off. Esse objetivo é alcançado por meio da previsão de conjuntos de máximo hipervolume esperado, para a qual as capacidades de antecipação de metaheurísticas multi-objetivo são incrementadas com rastreamento bayesiano em ambos os espaços de busca e dos objetivos. A metodologia foi aplicada para a obtenção de decisões de investimento, as quais levaram a melhoras significativas do hipervolume futuro de conjuntos de carteiras financeiras de trade-off avaliadas com dados de ações fora da amostra de treino, quando comparada a uma estratégia míope. Além disso, a tomada de decisões flexíveis para o rebalanceamento de carteiras foi confirmada como uma estratégia significativamente melhor do que a de escolher aleatoriamente uma decisão de investimento a partir da fronteira estocástica eficiente evoluída, em todos os mercados artificiais e reais testados. Finalmente, os resultados sugerem que a antecipação de opções flexíveis levou a composições de carteiras que se mostraram significativamente correlacionadas com as melhorias observadas no hipervolume futuro esperado, avaliado com dados fora das amostras de treinoAbstract: The presence of uncertainty in future outcomes can lead to indecision in choice processes, especially when eliciting the relative importances of multiple decision criteria and of long-term vs. near-term performance. Some decisions, however, must be taken under incomplete information, what may result in precipitated actions with unforeseen consequences. When a solution must be selected under multiple conflicting views for operating in time-varying and noisy environments, implementing flexible provisional alternatives can be critical to circumvent the lack of complete information by keeping future options open. Anticipatory engineering can be then regarded as the strategy of designing flexible solutions that enable decision makers to respond robustly to unpredictable scenarios. This strategy can thus mitigate the risks of strong unintended commitments to uncertain alternatives, while increasing adaptability to future changes. In this thesis, the roles of anticipation and of flexibility on automating sequential multiple criteria decision-making processes under uncertainty are investigated. The dilemma of assigning relative importances to decision criteria and to immediate rewards under incomplete information is then handled by autonomously anticipating flexible decisions predicted to maximally preserve diversity of future choices. An online anticipatory learning methodology is then proposed for improving the range and quality of future trade-off solution sets. This goal is achieved by predicting maximal expected hypervolume sets, for which the anticipation capabilities of multi-objective metaheuristics are augmented with Bayesian tracking in both the objective and search spaces. The methodology has been applied for obtaining investment decisions that are shown to significantly improve the future hypervolume of trade-off financial portfolios for out-of-sample stock data, when compared to a myopic strategy. Moreover, implementing flexible portfolio rebalancing decisions was confirmed as a significantly better strategy than to randomly choosing an investment decision from the evolved stochastic efficient frontier in all tested artificial and real-world markets. Finally, the results suggest that anticipating flexible choices has lead to portfolio compositions that are significantly correlated with the observed improvements in out-of-sample future expected hypervolumeDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétric

LIPIcs, Volume 244, ESA 2022, Complete Volume

LIPIcs, Volume 244, ESA 2022, Complete Volum

Benchmark Experiments

Benchmark experiments nowadays are the method of choice to evaluate learning algorithms in most research fields with applications related to statistical learning. Benchmark experiments are an empirical tool to analyze statistical learning algorithms on one or more data sets: to compare a set of algorithms, to find the best hyperparameters for an algorithm, or to make a sensitivity analysis of an algorithm. In the main part, this dissertation focus on the comparison of candidate algorithms and introduces a comprehensive toolbox for analyzing such benchmark experiments. A systematic approach is introduced -- from exploratory analyses with specialized visualizations static and interactive) via formal investigations and their interpretation as preference relations through to a consensus order of the algorithms, based on one or more performance measures and data sets. The performance of learning algorithms is determined by data set characteristics, this is common knowledge. Not exactly known is the concrete relationship between characteristics and algorithms. A formal framework on top of benchmark experiments is presented for investigation on this relationship. Furthermore, benchmark experiments are commonly treated as fixed-sample experiments, but their nature is sequential. First thoughts on a sequential framework are presented and its advantages are discussed. Finally, this main part of the dissertation is concluded with a discussion on future research topics in the field of benchmark experiments. The second part of the dissertation is concerned with archetypal analysis. Archetypal analysis has the aim to represent observations in a data set as convex combinations of a few extremal points. This is used as an analysis approach for benchmark experiments -- the identification and interpretation of the extreme performances of candidate algorithms. In turn, benchmark experiments are used to analyze the general framework for archetypal analyses worked out in this second part of the dissertation. Using its generalizability, the weighted and robust archetypal problems are introduced and solved; and in the outlook a generalization towards prototypes is discussed. The two freely available R packages -- benchmark and archetypes -- make the introduced methods generally applicable

Archetypes for histogram-valued data

Il principale sviluppo innovativo del lavoro è quello di propone una estensione dell'analisi archetipale per dati ad istogramma. Per quanto concerne l'impianto metodologico nell'approccio all'analisi di dati ad istogramma, che sono di natura complessa, il presente lavora utilizza le intuizioni della "Symbolic Data Analysis" (SDA) e le relazioni intrinseche tra dati valutati ad intervallo e dati valutati ad istogramma. Dopo aver discusso la tecnica sviluppata in ambiente Matlab, il suo funzionamento e le sue proprietà su di un esempio di comodo, tale tecnica viene proposta, nella sezione applicativa, come strumento per effettuare una analisi di tipo "benchmarking" quantitativo. Nello specifico, si propongono i principali risultati ottenuti da una applicazione degli archetipi per dati ad istogramma ad un caso di benchmarking interno del sistema scolastico, utilizzando dati provenienti dal test INVALSI relativi all'anno scolastico 2015/2016. In questo contesto l'unità di analisi è considerata essere la singola scuola, definita operativamente attraverso le distribuzioni dei punteggi dei propri alunni valutate, congiuntamente, sotto forma di oggetti simbolici ad istogramma

LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

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