NOA1: A Fortran Package of Nondifferentiable Optimization Algorithms Methodological and User's Guide

This paper is one of the series of 11 Working Papers presenting the software for interactive decision support and software tools for developing decision support systems. These products constitute the outcome of the contracted study agreement between the System and Decision Sciences Program at IIASA and several Polish scientific institutions. The theoretical part of these results is presented in the IIASA Working Paper WP-88-071 entitled "Theory, Software and Testing Examples in Decision Support Systems". This volume contains the theoretical and methodological backgrounds of the software systems developed within the project. This paper constitutes a methodological guide and user's manual for NOA1, a package of Fortran subroutines designed to locate the minimum of a locally Lipschitz continuous function subject to locally Lipschitzian inequality and equality constraints, general linear constraints and simple upper and lower bounds. The user must provide a Fortran subroutine for evaluating the (possibly nondifferentiable and nonconvex) functions being minimized and their subgradients. The package implements several descent methods, and is intended for solving small-scale nondifferentiable minimization problems on a professional microcomputer

An inexact conic bundle variant suited to column generation

Final version to appear in Mathematical Programming Available in www.springerlink.com DOI 10.1007/s10107-007-0187-4We give a bundle method for constrained convex optimization. Instead of using penalty functions, it shifts iterates towards feasibility, by way of a Slater point, assumed to be known. Besides, the method accepts an oracle delivering function and subgradient values with unknown accuracy. Our approach is motivated by a number of applications in column generation, in which constraints are positively homogeneous -- so that 0 is a natural Slater point -- and an exact oracle may be time consuming. Finally, our convergence analysis employs arguments which have been little used so far in the bundle community. The method is illustrated on a number of cutting-stock problems

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

Non-smooth Non-convex Bregman Minimization: Unification and new Algorithms

We propose a unifying algorithm for non-smooth non-convex optimization. The algorithm approximates the objective function by a convex model function and finds an approximate (Bregman) proximal point of the convex model. This approximate minimizer of the model function yields a descent direction, along which the next iterate is found. Complemented with an Armijo-like line search strategy, we obtain a flexible algorithm for which we prove (subsequential) convergence to a stationary point under weak assumptions on the growth of the model function error. Special instances of the algorithm with a Euclidean distance function are, for example, Gradient Descent, Forward--Backward Splitting, ProxDescent, without the common requirement of a "Lipschitz continuous gradient". In addition, we consider a broad class of Bregman distance functions (generated by Legendre functions) replacing the Euclidean distance. The algorithm has a wide range of applications including many linear and non-linear inverse problems in signal/image processing and machine learning

A second derivative SQP method: theoretical issues

Sequential quadratic programming (SQP) methods form a class of highly efficient algorithms for solving nonlinearly constrained optimization problems. Although second derivative information may often be calculated, there is little practical theory that justifies exact-Hessian SQP methods. In particular, the resulting quadratic programming (QP) subproblems are often nonconvex, and thus finding their global solutions may be computationally nonviable. This paper presents a second-derivative SQP method based on quadratic subproblems that are either convex, and thus may be solved efficiently, or need not be solved globally. Additionally, an explicit descent-constraint is imposed on certain QP subproblems, which “guides” the iterates through areas in which nonconvexity is a concern. Global convergence of the resulting algorithm is established