title: Cutting plane methods and dual problems
Creators: name: Gladin, Egor
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Schnittebenenverfahren
subject: ungenauer Subgradient
subject: Genauigkeitszertifikat
subject: duale Algorithmen
subject: konvexe Optimierung
subject: Cutting plane methods
subject: inexact subgradient
subject: accuracy certificate
subject: dual algorithms
subject: convex optimization
subject: 510 Mathematik
subject: SK 380

description: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Schnittebenenverfahren, einer Gruppe von iterativen Algorithmen zur Minimierung einer (möglicherweise nicht glatten) konvexen Funktion über einer kompakten konvexen Menge. Wir betrachten zwei prominente Beispiele, nämlich die Ellipsoidmethode und die Methode der Vaidya, und zeigen, dass ihre Konvergenzrate auch bei Verwendung eines ungenauen Orakels erhalten bleibt. Darüber hinaus zeigen wir, dass es möglich ist, diese Methoden im Rahmen der stochastischen Optimierung effizient zu nutzen. Eine andere Richtung, in der Schnittebenenverfahren nützlich sein können, sind duale Probleme. In der Regel können die Zielfunktion und ihre Ableitungen bei solchen Problemen nur näherungsweise berechnet werden. Daher ist die Unempfindlichkeit der Methoden gegenüber Fehlern in den Subgradienten von großem Nutzen. Als Anwendungsbeispiel schlagen wir eine linear konvergierende duale Methode für einen Markow-Entscheidungsprozess mit Nebenbedienungen vor, die auf der Methode der Vaidya basiert. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Methode in einem einfachen RL Problem. Die Arbeit untersucht auch das Konzept der Genauigkeitszertifikate für konvexe Minimierungsprobleme. Zertifikate ermöglichen die Online-Überprüfung der Genauigkeit von Näherungslösungen. In dieser Arbeit verallgemeinern wir den Begriff der Genauigkeitszertifikate für die Situation eines ungenauen Orakels erster Ordnung. Darüber hinaus schlagen wir einen expliziten Weg zur Konstruktion von Genauigkeitszertifikaten für eine große Klasse von Schnittebenenverfahren vor. Als Nebenprodukt zeigen wir, dass die betrachteten Methoden effizient mit einem verrauschten Orakel verwendet werden können, obwohl sie ursprünglich für ein exaktes Orakel entwickelt wurden. Schließlich untersuchen wir die vorgeschlagenen Zertifikate in numerischen Experimenten und zeigen, dass sie eine enge obere Schranke für das objektive Residuum liefern.
description: The present thesis studies cutting plane methods, which are a group of iterative algorithms for minimizing a (possibly nonsmooth) convex function over a compact convex set. We consider two prominent examples, namely, the ellipsoid method and Vaidya's method, and show that their convergence rate is preserved even when an inexact oracle is used. Furthermore, we demonstrate that it is possible to use these methods in the context of stochastic optimization efficiently. Another direction where cutting plane methods can be useful is Lagrange dual problems. Commonly, the objective and its derivatives can only be computed approximately in such problems. Thus, the methods' insensitivity to error in subgradients comes in handy. As an application example, we propose a linearly converging dual method for a constrained Markov decision process (CMDP) based on Vaidya's algorithm. We demonstrate the performance of the proposed method in a simple RL environment. The work also investigates the concept of accuracy certificates for convex minimization problems. Certificates allow for online verification of the accuracy of approximate solutions. In this thesis, we generalize the notion of accuracy certificates for the setting of an inexact first-order oracle. Furthermore, we propose an explicit way to construct accuracy certificates for a large class of cutting plane methods. As a by-product, we show that the considered methods can be efficiently used with a noisy oracle even though they were originally designed to be equipped with an exact oracle. Finally, we illustrate the work of the proposed certificates in numerical experiments highlighting that they provide a tight upper bound on the objective residual.