Bundle methods in nonsmooth DC optimization

Due to the complexity of many practical applications, we encounter optimization problems with nonsmooth functions, that is, functions which are not continuously differentiable everywhere. Classical gradient-based methods are not applicable to solve such problems, since they may fail in the nonsmooth setting. Therefore, it is imperative to develop numerical methods specifically designed for nonsmooth optimization. To date, bundle methods are considered to be the most efficient and reliable general purpose solvers for this type of problems. The idea in bundle methods is to approximate the subdifferential of the objective function by a bundle of subgradients. This information is then used to build a model for the objective. However, this model is typically convex and, due to this, it may be inaccurate and unable to adequately reflect the behaviour of the objective function in the nonconvex case. These circumstances motivate to design new bundle methods based on nonconvex models of the objective function. In this dissertation, the main focus is on nonsmooth DC optimization that constitutes an important and broad subclass of nonconvex optimization problems. A DC function can be presented as a difference of two convex functions. Thus, we can obtain a model that utilizes explicitly both the convexity and concavity of the objective by approximating separately the convex and concave parts. This way we end up with a nonconvex DC model describing the problem more accurately than the convex one. Based on the new DC model we introduce three different bundle methods. Two of them are designed for unconstrained DC optimization and the third one is capable of solving also multiobjective and constrained DC problems. The finite convergence is proved for each method. The numerical results demonstrate the efficiency of the methods and show the benefits obtained from the utilization of the DC decomposition. Even though the usage of the DC decomposition can improve the performance of the bundle methods, it is not always available or possible to construct. Thus, we present another bundle method for a general objective function implicitly collecting information about the DC structure. This method is developed for large-scale nonsmooth optimization and its convergence is proved for semismooth functions. The efficiency of the method is shown with numerical results. As an application of the developed methods, we consider the clusterwise linear regression (CLR) problems. By applying the support vector machines (SVM) approach a new model for these problems is proposed. The objective in the new formulation of the CLR problem is expressed as a DC function and a method based on one of the presented bundle methods is designed to solve it. Numerical results demonstrate robustness of the new approach to outliers.Monissa käytännön sovelluksissa tarkastelun kohteena oleva ongelma on monimutkainen ja joudutaan näin ollen mallintamaan epäsileillä funktioilla, jotka eivät välttämättä ole jatkuvasti differentioituvia kaikkialla. Klassisia gradienttiin perustuvia optimointimenetelmiä ei voida käyttää epäsileisiin tehtäviin, sillä epäsileillä funktioilla ei ole olemassa klassista gradienttia kaikkialla. Näin ollen epäsileään optimointiin on välttämätöntä kehittää omia numeerisia ratkaisumenetelmiä. Näistä kimppumenetelmiä pidetään tällä hetkellä kaikista tehokkaimpina ja luotettavimpina yleismenetelminä kyseisten tehtävien ratkaisemiseksi. Ideana kimppumenetelmissä on approksimoida kohdefunktion alidifferentiaalia kimpulla, joka on muodostettu keräämällä kohdefunktion aligradientteja edellisiltä iteraatiokierroksilta. Tätä tietoa hyödyntämällä voidaan muodostaa kohdefunktiolle malli, joka on alkuperäistä tehtävää helpompi ratkaista. Käytetty malli on tyypillisesti konveksi ja näin ollen se voi olla epätarkka ja kykenemätön esittämään alkuperäisen tehtävän rakennetta epäkonveksissa tapauksessa. Tästä syystä väitöskirjassa keskitytään kehittämään uusia kimppumenetelmiä, jotka mallinnusvaiheessa muodostavat kohdefunktiolle epäkonveksin mallin. Pääpaino väitöskirjassa on epäsileissä optimointitehtävissä, joissa funktiot voidaan esittää kahden konveksin funktion erotuksena (difference of two convex functions). Kyseisiä funktioita kutsutaan DC-funktioiksi ja ne muodostavat tärkeän ja laajan epäkonveksien funktioiden osajoukon. Tämä valinta mahdollistaa kohdefunktion konveksisuuden ja konkaavisuuden eksplisiittisen hyödyntämisen, sillä uusi malli kohdefunktiolle muodostetaan yhdistämällä erilliset konveksille ja konkaaville osalle rakennetut mallit. Tällä tavalla päädytään epäkonveksiin DC-malliin, joka pystyy kuvaamaan ratkaistavaa tehtävää tarkemmin kuin konveksi arvio. Väitöskirjassa esitetään kolme erilaista uuden DC-mallin pohjalta kehitettyä kimppumenetelmää sekä todistetaan menetelmien konvergenssit. Kaksi näistä menetelmistä on suunniteltu rajoitteettomaan DC-optimointiin ja kolmannella voidaan ratkaista myös monitavoitteisia ja rajoitteellisia DC-optimointitehtäviä. Numeeriset tulokset havainnollistavat menetelmien tehokkuutta sekä DC-hajotelman käytöstä saatuja etuja. Vaikka DC-hajotelman käyttö voi parantaa kimppumenetelmien suoritusta, sitä ei aina ole saatavilla tai mahdollista muodostaa. Tästä syystä väitöskirjassa esitetään myös neljäs kimppumenetelmä konvergenssitodistuksineen yleiselle kohdefunktiolle, jossa kerätään implisiittisesti tietoa kohdefunktion DC-rakenteesta. Menetelmä on kehitetty erityisesti suurille epäsileille optimointitehtäville ja sen tehokkuus osoitetaan numeerisella testauksella Sovelluksena väitöskirjassa tarkastellaan datalle klustereittain tehtävää lineaarista regressiota (clusterwise linear regression). Kyseiselle sovellukselle muodostetaan uusi malli hyödyntäen koneoppimisessa käytettyä SVM-lähestymistapaa (support vector machines approach) ja saatu kohdefunktio esitetään DC-funktiona. Näin ollen yhtä kehitetyistä kimppumenetelmistä sovelletaan tehtävän ratkaisemiseen. Numeeriset tulokset havainnollistavat uuden lähestymistavan robustisuutta ja tehokkuutta

Splitting Metrics Diagonal Bundle Method for Large-Scale Nonconvex and Nonsmooth Optimization

Nonsmooth optimization is traditionally based on convex analysis and most solution methods rely strongly on the convexity of the problem. In this paper, we propose an efficient diagonal bundle method for nonconvex large-scale nonsmooth optimization. The novelty of the new method is in different usage of metrics depending on the convex or concave behaviour of the objective at the current iteration point. The usage of different metrics gives us a possibility to better deal with the nonconvexity of the problem than the sole — the most commonly used and quite arbitrary — downward shifting of the piecewise linear model does. The convergence of the proposed method is proved for semismooth functions that are not necessary differentiable nor convex. The numerical experiments have been made using problems with up to million variables. The results to be presented confirm the usability of the new method.</p

An Oracle-Structured Bundle Method for Distributed Optimization

We consider the problem of minimizing a function that is a sum of convex agent functions plus a convex common public function that couples them. The agent functions can only be accessed via a subgradient oracle; the public function is assumed to be structured and expressible in a domain specific language (DSL) for convex optimization. We focus on the case when the evaluation of the agent oracles can require significant effort, which justifies the use of solution methods that carry out significant computation in each iteration. We propose a cutting-plane or bundle-type method for the distributed optimization problem, which has a number of advantages over other methods that are compatible with the access methods, such as proximal subgradient methods: it has very few parameters that need to be tuned; it often produces a reasonable approximate solution in just a few tens of iterations; and it tolerates agent failures. This paper is accompanied by an open source package that implements the proposed method, available at \url{https://github.com/cvxgrp/OSBDO}

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

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

Geometric numerical integration for optimisation

In this thesis, we study geometric numerical integration for the optimisation of various classes of functionals. Numerical integration and the study of systems of differential equations have received increased attention within the optimisation community in the last decade, as a means for devising new optimisation schemes as well as to improve our understanding of the dynamics of existing schemes. Discrete gradient methods from geometric numerical integration preserve structures of first-order gradient systems, including the dissipative structure of schemes such as gradient flows, and thus yield iterative methods that are unconditionally dissipative, i.e. decrease the objective function value for all time steps. We look at discrete gradient methods for optimisation in several settings. First, we provide a comprehensive study of discrete gradient methods for optimisation of continuously differentiable functions. In particular, we prove properties such as well-posedness of the discrete gradient update equation, convergence rates, convergence of the iterates, and propose methods for solving the discrete gradient update equation with superior stability and convergence rates. Furthermore, we present results from numerical experiments which support the theory. Second, motivated by the existence of derivative-free discrete gradients, and seeking to solve nonsmooth optimisation problems and more generally black-box problems, including for parameter optimisation problems, we propose methods based on the Itoh--Abe discrete gradient method for solving nonconvex, nonsmooth optimisation problems with derivative-free methods. In this setting, we prove well-posedness of the method, and convergence guarantees within the nonsmooth, nonconvex Clarke subdifferential framework for locally Lipschitz continuous functions. The analysis is shown to hold in various settings, namely in the unconstrained and constrained setting, including epi-Lipschitzian constraints, and for stochastic and deterministic optimisation methods. Building on the work of derivative-free discrete gradient methods and the concept of structure preservation in geometric numerical integration, we consider discrete gradient methods applied to other differential systems with dissipative structures. In particular, we study the inverse scale space flow, linked to the well-known Bregman methods, which are central to variational optimisation problems and regularisation methods for inverse problems. In this setting, we propose and implement derivative-free schemes that exploit structures such as sparsity to achieve superior convergence rates in numerical experiments, and prove convergence guarantees for these methods in the nonsmooth, nonconvex setting. Furthermore, these schemes can be seen as generalisations of the Gauss-Seidel method and successive-over-relaxation. Finally, we return to parameter optimisation problems, namely nonsmooth bilevel optimisation problems, and propose a framework to employ first-order methods for these problems, when the underlying variational optimisation problem admits a nonsmooth structure in the partial smoothness framework. In this setting, we prove piecewise differentiability of the parameter-dependent solution mapping, and study algorithmic differentiation approaches to evaluating the derivatives. Furthermore, we prove that the algorithmic derivatives converge to the implicit derivatives. Thus we demonstrate that, although some parameter tuning problems must inevitably be treated as black-box optimisation problems, for a large number of variational problems one can exploit the structure of nonsmoothness to perform gradient-based bilevel optimisation

On the Convergence of L-shaped Algorithms for Two-Stage Stochastic Programming

In this paper, we design, analyze, and implement a variant of the two-loop L-shaped algorithms for solving two-stage stochastic programming problems that arise from important application areas including revenue management and power systems. We consider the setting in which it is intractable to compute exact objective function and (sub)gradient information, and instead, only estimates of objective function and (sub)gradient values are available. Under common assumptions including fixed recourse and bounded (sub)gradients, the algorithm generates a sequence of iterates that converge to a neighborhood of optimality, where the radius of the convergence neighborhood depends on the level of the inexactness of objective function estimates. The number of outer and inner iterations needed to find an approximate optimal iterate is provided. Finally, we show a sample complexity result for the algorithm with a Polyak-type step-size policy that can be extended to analyze other situations. We also present a numerical study that verifies our theoretical results and demonstrates the superior empirical performance of our proposed algorithms over classic solvers.Comment: 39 pages, 2 figure