×

通过对偶团树转换保证近线性时间复杂度的稀疏半定程序。 (英语) Zbl 1470.90070

摘要:团树转换通过将一个矩阵变量拆分为最多个较小的矩阵变量来解决大规模半定程序,每个矩阵变量代表最多个(ω倍ω)的主子矩阵。它的根本弱点是需要引入重叠约束这加强了不同矩阵变量之间的一致性,因为这可能导致紧密耦合。在本文中,我们证明了通过对偶团树转换,由重叠约束引起的耦合在稠密块上是稀疏的,并且块稀疏模式与树的邻接矩阵一致。我们考虑了两类具有良好稀疏模式的半定程序,其中包括MAXCUT和MAX(k)-CUT松弛、Lovasz Theta问题和AC最优潮流松弛。假设(ω),我们证明了内点方法的迭代代价是(线性O(n))时间和内存,因此在(近线性O(n^{1.5}(1/\epsilon))时间内进行(O(sqrt{n}log(1/\ epsilen))迭代后,得到了(ε)-精确和(ε-可行迭代。我们用大到\(n=13659\)的半定程序的数值结果证实了我们的理论见解。

MSC公司:

90C22型 半定规划
90立方厘米 涉及图形或网络的编程
90摄氏51度 内部点方法
90C06型 数学规划中的大尺度问题
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Lovász,L.,关于图的Shannon容量,IEEE Trans。Inf.理论,25,1,1-7(1979)·兹伯利03959.4021
[2] 戈曼斯,墨西哥;Williamson,DP,使用半定规划求解最大割和可满足性问题的改进近似算法,J.ACM,42,6,1115-1145(1995)·Zbl 0885.68088号
[3] 谢拉利,HD;Adams,WP,零规划问题的连续和凸壳表示之间的松弛层次,SIAM J.离散数学。,3, 3, 411-430 (1990) ·Zbl 0712.90050号
[4] Lovász,L。;Schrijver,A.,矩阵和集函数锥与0-1优化,SIAM J.Optim。,1, 2, 166-190 (1991) ·Zbl 0754.90039号
[5] Lasserre,J.B.:非线性0-1程序的显式精确SDP松弛。摘自:整数规划和组合优化国际会议,第293-303页,柏林斯普林格(2001)·Zbl 1010.90515号
[6] Laurent,M.,《0-1编程中Sherali-Adams、Lovász-Schrijver和Lasserre松弛的比较》,数学。操作。第28、3、470-496号决议(2003年)·邮编1082.90084
[7] Lasserre,JB,多项式全局优化与矩问题,SIAM J.Optim。,11, 3, 796-817 (2001) ·Zbl 1010.90061号
[8] Parrilo,P.A.:鲁棒性和优化中的结构化半定程序和半代数几何方法。加州理工学院博士论文(2000年)
[9] Nesterov,Y.,《凸优化入门讲座:基础课程》(2013),柏林:施普林格出版社,柏林·兹比尔1086.90045
[10] 福田,M。;小岛,M。;Murota,K。;Nakata,K.,通过矩阵补全利用半定规划中的稀疏性I:通用框架,SIAM J.Optim。,11, 3, 647-674 (2001) ·Zbl 1010.90053号
[11] 丹麦莫尔扎恩;霍尔泽,JT;Lesieutre,不列颠哥伦比亚省;DeMarco,CL,基于半定规划的大规模最优潮流求解器的实现,IEEE Trans。电力系统。,28, 4, 3987-3998 (2013)
[12] 马达尼,R。;Sojoudi,S。;Lavaei,J.,最优潮流问题的凸松弛:网格网络,IEEE Trans。电力系统。,30, 1, 199-211 (2015)
[13] 马达尼,R。;阿什拉菲朱奥,M。;Lavaei,J.,意外约束最优潮流问题的圆锥松弛承诺,IEEE Trans。电力系统。,31, 2, 1297-1307 (2016)
[14] Eltved,A。;Dahl,J。;Andersen,MS,关于最优潮流问题的半定松弛的鲁棒性和可扩展性,Optim。工程,21,375-392(2020)·Zbl 1447.90069号 ·doi:10.1007/s11081-019-09427-4
[15] 范登伯格,L。;Andersen,MS,弦图和半定优化,Found。最佳趋势。,1, 4, 241-433 (2015)
[16] 孙,Y。;安徒生,理学硕士;Vandenberghe,L.,部分可分结构圆锥优化中的分解,SIAM J.Optim。,24, 2, 873-897 (2014) ·Zbl 1297.90111号
[17] 安徒生,理学硕士;Hansson,A。;Vandenberghe,L.,最优潮流问题的降低复杂性半定松弛,IEEE Trans。电力系统。,29, 4, 1855-1863 (2014)
[18] Löfberg,J.,《二元化:圆锥曲线程序的自动原始和双重转换软件》,Optim。方法软。,24, 3, 313-325 (2009) ·Zbl 1173.90546号
[19] Griewank,A。;Toint,PL,大型结构化优化问题的分区变量度量更新,Numeriche Mathematik,39,119-137(1982)·Zbl 0482.65035号
[20] Andersen,M.,Dahl,J.,Vandenberghe,L.:CVXOPT:用于凸优化的Python包。abel.ee.ucla.edu/cvxopt公司。(2013)
[21] Löfberg,J.:Yalmip:matlab中建模和优化的工具箱。摘自:CACSD会议记录,3。台湾台北(2004)
[22] Fujisawa,K.、Kim,S.、Kojima,M.、Okamoto,Y.、Yamashita,M.:SparseCoLO用户手册:稀疏圆锥型线性优化问题的转换方法。技术报告,东京理工大学数学与计算科学系,(2009年)。研究报告B-453
[23] Kim,S。;小岛,M。;Mevissen,M。;Yamashita,M.,通过半正定矩阵补全利用线性和非线性矩阵不等式中的稀疏性,数学。程序。,129, 1, 33-68 (2011) ·Zbl 1229.90116号
[24] Andersen,M.S.:Opfsdr版本0.2.3(2018)
[25] Madani,R.,Kalbat,A.,Lavaei,J.:稀疏半定规划的ADMM及其在最优潮流问题中的应用。参见:IEEE第54届决策与控制年会(CDC),第5932-5939页。IEEE(2015)
[26] Zheng,Y.,Fantuzzi,G.,Papachristodoulou,A.,Goulart,P.,Wynn,A.:稀疏半定程序的算子分裂方法中的弦分解。数学。程序。180, 489-532 (2020). doi:10.1007/s10107-019-01366-3·Zbl 1434.90126
[27] Annergren,M.,Pakazad,S.K.,Hansson,A.,Wahlberg,B.:使用ADMM解决松耦合问题的分布式原对偶内点方法。arXiv预印arXiv:1406.2192(2014)
[28] Khoshfetrat Pakazad,S。;Hansson,A。;Andersen,MS,松散耦合问题的分布式内点方法,IFAC Proc。卷,47,39587-9592(2014)
[29] 张,RY;White,JK,Gmres-二次目标加速ADMM,SIAM J.Optim。,28, 4, 3025-3056 (2018) ·Zbl 1402.49025号
[30] 安徒生,理学硕士;Dahl,J。;Vandenberghe,L.,稀疏矩阵锥上线性优化的非对称内点方法的实现,数学。程序。计算。,2, 3, 167-201 (2010) ·Zbl 1230.90006号
[31] 达夫,IS;Reid,JK,不定稀疏对称线性方程的多面解,ACM Trans。数学。柔和。(汤姆斯),9,3,302-325(1983)·Zbl 0515.65022号
[32] Liu,JW,稀疏矩阵解的多面法:理论与实践,SIAM Rev.,34,1,82-109(1992)·Zbl 0919.65019号
[33] Pakazad,S.Khoshfetrat;Hansson,A。;安徒生,理学硕士;Nielsen,I.,使用消息传递解决树结构耦合凸问题的分布式原对偶内点方法,Optim。方法软。,32, 3, 401-435 (2017) ·Zbl 1364.90357号
[34] Khoshfetrat Pakazad,S。;Hansson,A。;安徒生,理学硕士;Rantzer,A.,《分布式半定规划及其在大规模系统分析中的应用》,IEEE Trans。自动。对照,63,4,1045-1058(2017)·Zbl 1390.90419号
[35] Alizadeh,F。;海伯里,J-PA;半定规划中的Overton,ML,互补性和非退化性,数学。程序。,77, 1, 111-128 (1997) ·Zbl 0890.90141号
[36] Arnborg,S。;科内尔DG;Proskurowski,A.,在k树中寻找嵌入的复杂性,SIAM J.代数离散方法,8,2,277-284(1987)·Zbl 0611.05022号
[37] Ye,Y。;托德,MJ;Mizuno,S.,An\(O(\sqrt{nL})\)-迭代齐次和自对偶线性规划算法,数学。操作。决议,19,1,53-67(1994)·Zbl 0799.90087号
[38] Wolkowicz,H.、Saigal,R.、Vandenberghe,L.(编辑):半定规划手册:理论、算法和应用。施普林格科技与商业媒体(2012)·Zbl 0962.90001号
[39] Percenter,F。;HA弗里伯格;Andersen,ED,通过自对偶嵌入和面约简解决圆锥优化问题:统一方法,SIAM J.Optim。,27, 3, 1257-1282 (2017) ·Zbl 1368.90123号
[40] 弗里兹,A。;Jerrum,M.,MAX k-CUT和MAX BISECTION的改进近似算法,算法学,18,1,67-81(1997)·Zbl 0873.68078号
[41] Pataki,G.,Stefan S.:半定二次线性程序的DIMACS库。技术报告。初稿,纽约哥伦比亚大学计算优化研究中心(2002)
[42] Borchers,B.,Sdplib 1.2,半定编程测试问题库,Optim。方法软。,11, 1-4, 683-690 (1999) ·Zbl 0973.90522号
[43] Sun,Y.:半定优化的分解方法。加州大学洛杉矶分校博士论文(2015)
[44] Liu,JW,消除树在稀疏因子分解中的作用,SIAM J.矩阵分析。申请。,11, 1, 134-172 (1990) ·Zbl 0697.65013号
[45] 博德兰德,HL;JR吉尔伯特;哈夫斯坦森,H。;Kloks,T.,《近似树宽、路径宽度、前沿大小和最短消除树》,J.Algorithms,18,2,238-255(1995)·Zbl 0818.68118号
[46] Leighton,T.,Rao,S.:均匀多商品流问题的近似最大流最小割定理及其在近似算法中的应用。摘自:第29届计算机科学基础年度研讨会论文集,第422-431页。IEEE(1988)
[47] Klein,P.,Stein,C.,Tardos,E.:Leighton-Rao可能是实用的:具有统一容量的并发流的更快近似算法。摘自:第二十二届ACM计算理论研讨会论文集,第310-321页。ACM(1990)
[48] A.乔治。;Liu,JW,最小度排序算法的进化,SIAM Rev.,31,1,1-19(1989)·Zbl 0671.65024号
[49] 利普顿,RJ;罗丝,DJ;Tarjan,RE,广义嵌套解剖,SIAM J.Numer。分析。,16, 2, 346-358 (1979) ·Zbl 0435.65021号
[50] 罗丝,DJ;RE塔尔詹;Lueker,GS,图上顶点消除的算法方面,SIAM J.Compute。,5, 2, 266-283 (1976) ·Zbl 0353.65019号
[51] A.乔治。;Liu,JW,大型稀疏正定系统的计算机解(1981),新泽西州恩格尔伍德克利夫斯:普伦蒂斯·霍尔,恩格尔伍德克里夫斯,新泽西·Zbl 0516.65010号
[52] 格隆,R。;约翰逊,CR;Sá,EM;Wolkowicz,H.,部分厄米矩阵的正定完备,线性代数应用。,58, 109-124 (1984) ·Zbl 0547.15011号
[53] Dancis,J.,部分厄米矩阵的半正定完备,线性代数应用。,175, 97-114 (1992) ·Zbl 0760.15019号
[54] 劳伦特,M。;Varvitsiotis,A.,与有界秩半正定矩阵完备相关的一个新图形参数,数学。程序。,145, 1-2, 291-325 (2014) ·Zbl 1293.05238号
[55] 马达尼,R。;Sojoudi,S。;Fazelnia,G。;Lavaei,J.,使用凸优化寻找稀疏线性矩阵不等式的低阶解,SIAM J.Optim。,27,2725-758(2017)·兹比尔1365.90185
[56] Jiang,X.:具有弦稀疏性模式的最小秩正半定矩阵完备。加州大学洛杉矶分校硕士论文(2017)
[57] Kobayashi,K。;Kim,S。;Kojima,M.,LP、SDP和SOCP的原对偶内点方法中的相关稀疏性,应用。数学。最佳。,58, 1, 69-88 (2008) ·Zbl 1191.90032号
[58] Parter,S.,《线性图在高斯消去中的应用》,SIAM Rev.,3,2,119-130(1961)·兹伯利0102.11302
[59] Sturm,JF,Using SeDuMi 1.02,一个用于对称锥优化的MATLAB工具箱,Optim。方法软。,11,1-4625-653(1999年)·Zbl 0973.90526号
[60] Andersen,E.D.:使用二次锥在原始-对偶内点方法中处理自由变量。摘自:多伦多SIAM优化会议记录(2002)
[61] Sturm,JF,混合半定和二阶锥优化问题的内点方法的实现,Optim。方法软。,17, 6, 1105-1154 (2002) ·Zbl 1032.90021号
[62] 安德森,ED;Roos,C。;Terlaky,T.,关于实现二次曲线二次优化的原对偶内点方法,数学。程序。,95, 2, 249-277 (2003) ·Zbl 1030.90137号
[63] Goldfarb,D。;Scheinberg,K.,二阶锥规划内点方法中的乘积形式Cholesky因式分解,数学。程序。,103, 1, 153-179 (2005) ·Zbl 1079.90157号
[64] 郭杰。;Niedermeier,R.,类树加权集覆盖的精确算法和应用,J.离散算法,4,4,608-622(2006)·Zbl 1110.68173号
[65] 刘易斯,JG;佩顿,BW;Pothen,A.,用于并行分解的稀疏矩阵重排序的快速算法,SIAM J.Sci。统计计算。,10, 6, 1146-1173 (1989) ·Zbl 0693.65032号
[66] Pothen,A.,Sun,C.:稀疏矩阵分解中的紧凑团树数据结构。收录:Coleman,T.F.,Li,Y.(编辑)《大尺度数值优化》,第180-204页。暹罗(1990)·Zbl 0727.90087号
[67] 安徒生,理学硕士;Dahl,J。;Vandenberghe,L.,稀疏矩阵锥的对数势垒,Optim。方法软。,28, 3, 396-423 (2013) ·Zbl 1266.65045号
[68] George,A.,Gilbert,J.R.,Liu,J.W.H.(编辑):图论和稀疏矩阵计算。施普林格科技与商业媒体(2012)
[69] 齐默尔曼,RD;Murillo-Sánchez,行政长官;Thomas,RJ,MATPOWER:电力系统研究和教育的稳态运行、规划和分析工具,IEEE Trans。电力系统。,26, 1, 12-19 (2011)
[70] Josz,C.、Fliscounakis,S.、Maeght,J.、Paniciaci,P.:MATPOWER和QCQP格式的交流潮流数据:iTesla、RTE快照和PEGASE。arXiv预印本arXiv:1603.01533(2016)
[71] Mittelmann,HD,SDP和SOCP求解器的独立基准,数学。程序。,95, 2, 407-430 (2003) ·Zbl 1030.90080号
[72] Frenk,H.,Roos,K.,Terlaky,T.,Zhang,S.(编辑):高性能优化。施普林格科技与商业媒体(2013)
[73] 公共关系部埃姆斯泰;TA Davis;达夫,IS,算法837:AMD,近似最小度排序算法,ACM-Trans。数学。柔和。(TOMS),30,3,381-388(2004)·Zbl 1070.65534号
[74] Lavaei,J。;最优潮流问题中的低、SH、零对偶间隙,IEEE Trans。电力系统。,27, 1, 92 (2012)
[75] Nakata,K。;藤泽,K。;福田,M。;小岛,M。;Murota,K.,通过矩阵补全利用半定规划中的稀疏性II:实现和数值结果,数学。程序。,95, 2, 303-327 (2003) ·Zbl 1030.90081号
[76] 阿格勒,J。;赫尔顿,W。;McCullough,S。;Rodman,L.,具有给定稀疏模式的半正定矩阵,线性代数应用。,107, 101-149 (1988) ·Zbl 0655.15016号
[77] Vanderbei,RJ,《线性规划:基础与扩展》(2015),柏林:施普林格,柏林·Zbl 0899.90129号
[78] 内斯特罗夫,YE;Todd,MJ,《自缩放锥体的Primal-双重内点方法》,SIAM J.Optim。,8, 2, 324-364 (1998) ·Zbl 0922.90110号
[79] 斯图尔姆,JF;Zhang,S.,半定规划的对称原对偶路径允许算法,应用。数字。数学。,29, 3, 301-315 (1999) ·兹比尔0956.90027
[80] 斯图尔姆,JF;Zhang,S.,《关于线性规划的宽中心区域和原对偶内点算法》,数学。操作。决议,22,2,408-431(1997)·Zbl 0883.9003号
[81] 托德,MJ;Toh,K-C;TüTüncü,RH,关于半定规划中的nesterov-todd方向,SIAM J.Optim。,769-796年8月3日(1998年)·Zbl 0913.90217号
[82] Alizadeh,F。;海伯里,J-PA;半定规划的原对偶内点方法:收敛速度、稳定性和数值结果,SIAM J.Optim。,8, 3, 746-768 (1998) ·Zbl 0911.65047号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。