Globally Convergent Coderivative-Based Generalized Newton Methods in Nonsmooth Optimization

This paper proposes and justifies two globally convergent Newton-type methods to solve unconstrained and constrained problems of nonsmooth optimization by using tools of variational analysis and generalized differentiation. Both methods are coderivative-based and employ generalized Hessians (coderivatives of subgradient mappings) associated with objective functions, which are either of class $\mathcal{C}^{1,1}$, or are represented in the form of convex composite optimization, where one of the terms may be extended-real-valued. The proposed globally convergent algorithms are of two types. The first one extends the damped Newton method and requires positive-definiteness of the generalized Hessians for its well-posedness and efficient performance, while the other algorithm is of {the regularized Newton type} being well-defined when the generalized Hessians are merely positive-semidefinite. The obtained convergence rates for both methods are at least linear, but become superlinear under the semismooth$^*$ property of subgradient mappings. Problems of convex composite optimization are investigated with and without the strong convexity assumption {on smooth parts} of objective functions by implementing the machinery of forward-backward envelopes. Numerical experiments are conducted for Lasso problems and for box constrained quadratic programs with providing performance comparisons of the new algorithms and some other first-order and second-order methods that are highly recognized in nonsmooth optimization.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:2101.1055

On Newton Screening

Screening and working set techniques are important approaches to reducing the size of an optimization problem. They have been widely used in accelerating first-order methods for solving large-scale sparse learning problems. In this paper, we develop a new screening method called Newton screening (NS) which is a generalized Newton method with a built-in screening mechanism. We derive an equivalent KKT system for the Lasso and utilize a generalized Newton method to solve the KKT equations. Based on this KKT system, a built-in working set with a relatively small size is first determined using the sum of primal and dual variables generated from the previous iteration, then the primal variable is updated by solving a least-squares problem on the working set and the dual variable updated based on a closed-form expression. Moreover, we consider a sequential version of Newton screening (SNS) with a warm-start strategy. We show that NS possesses an optimal convergence property in the sense that it achieves one-step local convergence. Under certain regularity conditions on the feature matrix, we show that SNS hits a solution with the same signs as the underlying true target and achieves a sharp estimation error bound with high probability. Simulation studies and real data analysis support our theoretical results and demonstrate that SNS is faster and more accurate than several state-of-the-art methods in our comparative studies

A Fast Smoothing Newton Method for Bilevel Hyperparameter Optimization for SVC with Logistic Loss

Support Vector Classification with logistic loss has excellent theoretical properties in classification problems where the label values are not continuous. In this paper, we reformulate the hyperparameter selection for SVC with logistic loss as a bilevel optimization problem in which the upper-level problem and the lower-level problem are both based on logistic loss. The resulting bilevel optimization model is converted to a single-level nonlinear programming (NLP) problem based on the KKT conditions of the lower-level problem. Such NLP contains a set of nonlinear equality constraints and a simple lower bound constraint. The second-order sufficient condition is characterized, which guarantees that the strict local optimizers are obtained. To solve such NLP, we apply the smoothing Newton method proposed in \cite{Liang} to solve the KKT conditions, which contain one pair of complementarity constraints. We show that the smoothing Newton method has a superlinear convergence rate. Extensive numerical results verify the efficiency of the proposed approach and strict local minimizers can be achieved both numerically and theoretically. In particular, compared with other methods, our algorithm can achieve competitive results while consuming less time than other methods.Comment: 27 page

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