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矩阵优化扰动性理论及其与算法应用

批准号:
12071464
项目类别:
面上项目
资助金额:
52.0 万元
负责人:
丁超
学科分类:
连续优化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁超

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
矩阵优化是一类变量含有矩阵的优化问题。矩阵优化是近二十年来从包含统计、数据挖掘、机器学习、图像和信号处理、金融工程、信息学等在内的实际应用的不断发展起来的数学优化研究领域热点问题之一。本项目拟围绕矩阵优化扰动分析理论及其在大规模矩阵优化问题算法设计方面展开深入研究。首先,我们拟建立矩阵优化相关非多面体变分分析理论。在此基础上系统展开针对解集映射相关类Lipschitz性的研究,然后针对若干典型大规模矩阵优化问题研究设计高效算法。通过矩阵优化理论、算法与应用研究的有机结合,研究力争在优化研究前沿领域取得突破。
英文摘要
Matrix optimization problems (MOPs) are a class of optimization problems whose decision variables are matrices. MOPs have many successful applications in recent advances, such as statistics, data mining, machine learning, imagine and signal processing, financial and information science, and become one of the emerging fields of optimization. This project will focus on the study of the perturbation analysis of MOPs and related applications is designing efficient algorithms for large-scale problems. We will first build up necessary foundations on variational analysis of non-polyhedral sets/functions related to MOPs. After that, we will conduct a thorough study on some important Lipschitz properties of solving mappings of MOPs and will study and introduce some efficient numerical algorithms for solving several important large-scale MOPs arising from applications. By bridging the perturbation theory and efficient algorithms designing, we try to obtain some breakthrough results in MOPs, one of important optimization research fields.
本项目聚焦于大数据、人工智能和机器学习背景下复杂矩阵优化问题的理论与算法研究,针对非凸、非光滑以及流形约束等实际应用中常见的结构挑战,构建了统一的扰动分析理论框架,提出了多种高效求解算法,并取得了显著的理论与应用成果。在理论方面,项目首先建立了针对非多面体矩阵优化问题的扰动分析体系,对最优解、稳定点及KKT映射的Lipschitz性质作出精细刻画,揭示了弱正则条件与二阶充分性条件之间的内在联系。特别地,在非线性半正定规划中,通过引入弱第二阶条件(W-SOC)和弱严格Robinson约束资格(W-SRCQ),证明了在Bouligand广义雅可比集合中只需存在一个非奇异元素,即可确保半光滑牛顿迭代局部实现超线性乃至二次收敛。与此同时,本项目还证明了在弱充分性条件下,增广拉格朗日方法对非凸矩阵优化问题具备局部线性收敛性,并借此为处理实际大规模低秩优化问题提供了理论支撑。在算法与应用方面,项目围绕非凸非连续矩阵优化和异常值检测,利用DC分解方法构建低秩距离矩阵优化模型,实现了非线性降维过程中对异常数据的鲁棒检测;针对矩阵流形优化问题,提出了非精确增广拉格朗日方法并结合全局化半光滑牛顿技术,有效突破了传统欧氏空间方法在流形结构下的局限;此外,还研发了基于Robbins-Monro随机逼近思想的随机凸优化算法,满足在线实时决策需求;在强变分充分性理论的支持下,还对KKT解映射的稳定性进行了深入探讨。项目成果不仅在《Mathematical Programming》、《SIAM Journal on Optimization》、《Computational Optimization and Applications》等顶级期刊上得到发表,而且在工程应用中也取得了显著成效。例如,相关算法已成功应用于华为视频防抖求解器(QDVS)的开发,有效提升了计算效率和数值稳定性,增强了实际系统的竞争力。与此同时,项目在人才培养方面也取得突破,已有多名博士毕业,形成了具有较强竞争力的科研团队。总体而言,本项目突破了传统方法对严格正则性假设的依赖,在理论与算法上实现了创新,为大规模、复杂结构的矩阵优化提供了坚实的数学基础和高效数值策略,具有重大的科学意义和广阔的应用前景。
基于矩阵优化模型的社交网络分析研究及其应用
非光滑矩阵优化问题的理论与算法研究
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