Performance of ℓ1\ell_1 Regularization for Sparse Convex Optimization

Despite widespread adoption in practice, guarantees for the LASSO and Group LASSO are strikingly lacking in settings beyond statistical problems, and these algorithms are usually considered to be a heuristic in the context of sparse convex optimization on deterministic inputs. We give the first recovery guarantees for the Group LASSO for sparse convex optimization with vector-valued features. We show that if a sufficiently large Group LASSO regularization is applied when minimizing a strictly convex function $l$, then the minimizer is a sparse vector supported on vector-valued features with the largest $\ell_2$ norm of the gradient. Thus, repeating this procedure selects the same set of features as the Orthogonal Matching Pursuit algorithm, which admits recovery guarantees for any function $l$ with restricted strong convexity and smoothness via weak submodularity arguments. This answers open questions of Tibshirani et al. and Yasuda et al. Our result is the first to theoretically explain the empirical success of the Group LASSO for convex functions under general input instances assuming only restricted strong convexity and smoothness. Our result also generalizes provable guarantees for the Sequential Attention algorithm, which is a feature selection algorithm inspired by the attention mechanism proposed by Yasuda et al. As an application of our result, we give new results for the column subset selection problem, which is well-studied when the loss is the Frobenius norm or other entrywise matrix losses. We give the first result for general loss functions for this problem that requires only restricted strong convexity and smoothness

Distance-Preserving Graph Contractions

Compression and sparsification algorithms are frequently applied in a preprocessing step before analyzing or optimizing large networks/graphs. In this paper we propose and study a new framework contracting edges of a graph (merging vertices into super-vertices) with the goal of preserving pairwise distances as accurately as possible. Formally, given an edge-weighted graph, the contraction should guarantee that for any two vertices at distance d, the corresponding super-vertices remain at distance at least varphi(d) in the contracted graph, where varphi is a tolerance function bounding the permitted distance distortion. We present a comprehensive picture of the algorithmic complexity of the contraction problem for affine tolerance functions varphi(x)=x/alpha-beta, where alpha geq 1 and beta geq 0 are arbitrary real-valued parameters. Specifically, we present polynomial-time algorithms for trees as well as hardness and inapproximability results for different graph classes, precisely separating easy and hard cases. Further we analyze the asymptotic behavior of the size of contractions, and find efficient algorithms to compute (non-optimal) contractions despite our hardness results

A Survey on Approximation in Parameterized Complexity: Hardness and Algorithms

Parameterization and approximation are two popular ways of coping with NP-hard problems. More recently, the two have also been combined to derive many interesting results. We survey developments in the area both from the algorithmic and hardness perspectives, with emphasis on new techniques and potential future research directions

On algorithms for large-scale graph and clustering problems

Gegenstand dieser Arbeit sind algorithmische Methoden der modernen Datenanalyse. Dabei werden vorwiegend zwei übergeordnete Themen behandelt: Datenstromalgorithmen mit Kompressionseigenschaften und Approximationsalgorithmen für Clusteringverfahren. Datenstromalgorithmen verarbeiten einen Datensatz sequentiell und haben das Ziel, Eigenschaften des Datensatzes (approximativ) zu bestimmen, ohne dabei den gesamten Datensatz abzuspeichern. Unter Clustering versteht man die Partitionierung eines Datensatzes in verschiedene Gruppen. Das erste dargestellte Problem betrifft Matching in Graphen. Hier besteht der Datensatz aus einer Folge von Einfüge- und Löschoperationen von Kanten. Die Aufgabe besteht darin, die Größe des so genannten Maximum Matchings so genau wie möglich zu bestimmen. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der, unter der Annahme, dass das Matching höchstens die Größe k hat, die exakte Größe bestimmt und dabei k² Speichereinheiten benötigt. Dieser Algorithmus lässt sich weiterhin verwenden um eine konstante Approximation der Matchinggröße in planaren Graphen zu bestimmen. Des Weiteren werden untere Schranken für den benötigten Speicherplatz bestimmt und eine Reduktion von gewichtetem Matching zu ungewichteten Matching durchgeführt. Anschließend werden Datenstromalgorithmen für die Nachbarschaftssuche betrachtet, wobei die Aufgabe darin besteht, für n gegebene Mengen die Paare mit hoher Ähnlichkeit in nahezu Linearzeit zu finden. Dabei ist der Jaccard Index |A ∩ B|/|A U B| das Ähnlichkeitsmaß für zwei Mengen A und B. In der Arbeit wird eine Datenstruktur beschrieben, die dies erstmalig in dynamischen Datenströmen mit geringem Speicherplatzverbrauch leistet. Dabei werden Zufallszahlen mit nur 2-facher Unabhängigkeit verwendet, was eine sehr effiziente Implementierung ermöglicht. Das dritte Problem befindet sich an der Schnittstelle zwischen den beiden Themen dieser Arbeit und betrifft das k-center Clustering Problem in Datenströmen mit einem Zeitfenster. Die Aufgabe besteht darin k Zentren zu finden, sodass die maximale Distanz unter allen Punkten zu dem jeweils nächsten Zentrum minimiert wird. Ergebnis sind ein 6-Approximationalgorithmus für ein beliebiges k und ein optimaler 4-Approximationsalgorithmus für k = 2. Die entwickelten Techniken lassen sich ebenfalls auf das Durchmesserproblem anwenden und ermöglichen für dieses Problem einen optimalen Algorithmus. Danach werden Clusteringprobleme bezüglich der Jaccard Distanz analysiert. Dabei sind wieder eine Menge N von Teilmengen aus einer Grundgesamtheit U sind und die Aufgabe besteht darin eine Teilmenge $C$ zu finden, die max 1-|X ∩ C|/|X U C| minimiert. Es wird gezeigt, dass zwar eine exakte Lösung des Problems NP-schwer ist, es aber gleichzeitig eine PTAS gibt. Abschließend wird die weit verbreitete lokale Suchheuristik für k-median und k-means Clustering untersucht. Obwohl es im Allgemeinen schwer ist, diese Probleme exakt oder auch nur approximativ zu lösen, gelten sie in der Praxis als relativ gut handhabbar, was andeutet, dass die Härteresultate auf pathologischen Eingaben beruhen. Auf Grund dieser Diskrepanz gab es in der Vergangenheit praxisrelevante Datensätze zu charakterisieren. Für drei der wichtigsten Charakterisierungen wird das Verhalten einer lokalen Suchheuristik untersucht mit dem Ergebnis, dass die lokale Suchheuristik in diesen Fällen optimale oder fast optimale Cluster ermittelt