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A Smooth Primal-Dual Optimization Framework for Nonsmooth Composite Convex Minimization

Résumé

We propose a new and low per-iteration complexity first-order primal-dual optimization framework for a convex optimization template with broad applications. Our analysis relies on a novel combination of three classic ideas applied to the primal-dual gap function: smoothing, acceleration, and homotopy. The algorithms due to the new approach achieve the best-known convergence rate results, in particular when the template consists of only nonsmooth functions. We also outline a restart strategy for the acceleration to significantly enhance the practical performance. We demonstrate relations with the augmented Lagrangian method and show how to exploit the strongly convex objectives with rigorous convergence rate guarantees. We provide representative examples to illustrate that the new methods can outperform the state of the art, including Chambolle--Pock, and the alternating direction method-of-multipliers algorithms. We also compare our algorithms with the well-known Nesterov smoothing method.

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Concepts associés (19)
Algorithme du gradient
Lalgorithme du gradient, aussi appelé algorithme de descente de gradient, désigne un algorithme d'optimisation différentiable. Il est par conséquent destiné à minimiser une fonction réelle différentiable définie sur un espace euclidien (par exemple, , l'espace des n-uplets de nombres réels, muni d'un produit scalaire) ou, plus généralement, sur un espace hilbertien. L'algorithme est itératif et procède donc par améliorations successives. Au point courant, un déplacement est effectué dans la direction opposée au gradient, de manière à faire décroître la fonction.
Optimisation (mathématiques)
L'optimisation est une branche des mathématiques cherchant à modéliser, à analyser et à résoudre analytiquement ou numériquement les problèmes qui consistent à minimiser ou maximiser une fonction sur un ensemble. L’optimisation joue un rôle important en recherche opérationnelle (domaine à la frontière entre l'informatique, les mathématiques et l'économie), dans les mathématiques appliquées (fondamentales pour l'industrie et l'ingénierie), en analyse et en analyse numérique, en statistique pour l’estimation du maximum de vraisemblance d’une distribution, pour la recherche de stratégies dans le cadre de la théorie des jeux, ou encore en théorie du contrôle et de la commande.
Méthodes de points intérieurs
vignette|Visualisation de la méthode des points intérieur : le chemin reste à l’intérieur du polyèdre. vignette|Visualisation de la méthode du simplexe : le chemin suit les arêtes du polyèdre vignette|Visualisation de la méthode par ellipsoïde : l’ellipse se rétrécit Les méthodes de points intérieurs forment une classe d’algorithmes qui permettent de résoudre des problèmes d’optimisation mathématique.
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