内点法(方述诚 笔记5

interior point method

motivation:大型计算时

不是第一个多项式时间算法,

如果看到很好的方向,可以直接过去,(沿边走、方向被限制),但是看多个方向,计算量增加

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Key knowledge
• 1.Who is in the interior?
        - Initial solution
• 2. How do we know a current solution is optimal?
        - Optimality condition
• 3. How to move to a new solution?
        - Which direction to move? (good feasible direction)
        - How far to go? (step-length)

 good enough 时,到边附近足够多,就跳上边界点,进化purification(identify谁是nbv 设为0)

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1. Who is in the interior?

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2. How do we know a current solution is optimal?

in simplex method: 

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Q2 - How do we know a current solution is optimal?
• Basic concept of optimality:
A current feasible solution optimal if and only if
no feasible direction at this point is a good direction.
• In other words, “every feasible direction is not a good direction to move!

在该点,能走的都不是好方向

Feasible direction
• In an interior-point method, a feasible direction at a current solution is a direction allows it to take a small movement while staying to be interior feasible.
 本身是一个interior feasible solution


- There is no problem to stay interior if the step-length is small enough.
- To maintain feasibility, we need

 移动一点点,linear constraint不feasible   才能约束

A矩阵作用在向量上 =0,数学上叫做 向量落在矩阵A的零空间里,

Good direction
• In an interior-point method, a good direction at a current solution is a direction towards it to a new solution with a lower objective value.
• Observations:

  Optimality check

 principle:  

 

3. How to move to a new solution?         

- Which direction to move? (good feasible direction)       

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 沿着负梯度方向,会降低objective(steepest descent Algorithm for negative gradient method最速下降法)

梯度=0时,linear objective func. =0,每点都是optimal(feasible solution就是optimal solution)

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二次凸优化问题

project mapping 是 把一个好的方向(-c),投到一个可行的方向(N(A))里

 - How far to go? (step-length)

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we may use the “minimum ratio test" to determine the step-length.

Observation:
- when  is close to the boundary, the step-length may be very small.
Question: then what?

 primal affine scaling algorithm 

仿射几何

re-scale,to 中心,   how?

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matrix 作用在原来的空间上,就到了(y1,y2,y3,y4)空间

线性尺度变换 affine scaling。     原来的点,变成矩阵,take inverse 

 transformation ----  用的mapping ,从第一象限送到第一象限

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 几何是重新copy,只不过是用不同的坐标来写

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在y空间里不仅仅可以走1步: 

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----- dual information

     dual slack,  经过尺度变换回来,得到方向

性质2、3:    good feasible direction  

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 在N()里

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 内积= ||a|| ||b|| cos θ

性质4:    =0  ,没有方向可以移动了。。 则 保证已经optimal

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      reduced cost 

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 内点法 基本精神:从可行域内部,在每一步寻找方向上花多一些时间,不过可以快速达到optimal

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 How to find an initial interior solution?

• Like the simplex method, we have
        - Big M method
        - Two-phase method
        (to be discussed later!)

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  convergence     收敛到

super-linear rate , 连Newton method都赶不上(至少是quadratic convergence,收敛速度比较快)

may be sensitive to primal degeneracy. 太靠近边时,会被trap住,

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在一个等高线(value 相等)上找点,只是多一个constraint,

到边,至少有一个component =0,   越靠边,-logx 越大,barrier

objective func.   non-linear,解决:project negative gradient to the null space of constraint

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μ---> ∞,  --->

这个问题可以用primal affine scaring方法做,

Dual affine scaling algorithm

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 w^k---> w^k+1    在w space里找方向

 s^k---> s^k+1    在s space里找方向

一起移,方向不一样,步长一样

Key knowledge
Dual scalling (centering)
Dual feasible direction
Dual good direction — increase the dual objective value
Dual step-length
Primal estimate for stopping rule

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Performance of dual affine scaling

• No polynomial-time proof! 只有convergence proof

• Computational bottleneck

越degenerate越多0,invert就无穷大,越不精准   primal degenerate时,performance不好

• Less sensitive to primal degeneracy and numerical errors, but sensitive to dual degeneracy.

- Improves dual objective value very fast, but attains primal feasibility slowly.不解完没有primal feasible

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 ordinary differential equation   O.D.E.常微分方程

instead of 一步一步走,可以光滑的过去,    iteration可以减少一半

比较stable,鲁棒      large-scale时,

primal-dual affine:

需要画出primal-dual的 trajectory弹道、轨迹,然后用Newton method follow 这个trajectory,这个方法又叫path following

 

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