Mathematical Optimization

Convergence Theory for Iterative Numerical Optimization

Introduction

This study covers numerical iterative algorithms for continuous optimization rather than heuristic or metaheuristic search methods. For a problem

\[\underset{x\in\mathcal{X}}{\operatorname{minimize}}\ f(x),\]

an algorithm generates a sequence $x_0,x_1,\ldots$ through an update rule $x_{k+1}=\mathcal{A}(x_k)$. Gradient, Newton, quasi-Newton, proximal, and constrained-optimization methods are derived from mathematical properties of $f$ and the feasible set $\mathcal{X}$.

The main focus is the theory behind these iterations: the assumptions under which $x_k$ converges, the solution or stationary point $x^\star$ it approaches, and the speed of that convergence. Rates such as the sublinear bound $f(x_k)-f^\star=\mathcal{O}(1/k)$, the linear bound $\lVert x_k-x^\star\rVert\leq C\rho^k$ for $0<\rho<1$, and the quadratic bound $\lVert x_{k+1}-x^\star\rVert\leq C\lVert x_k-x^\star\rVert^2$ are studied together with error bounds and iteration complexity.

Prerequisites

  • Optimization (Undergraduate Level)
  • Numerical Analysis
  • Real Analysis
  • Linear Algebra
  • Calculus

References

Curriculum

No. Title Source View
1 Basic of Optimization Algorithm
Info
  • 감소 방향, 단조 감소, 충분 감소를 정의한다.
  • 수렴의 종류와 수렴속도를 구분한다.
  • Descent Lemma를 증명한다.
Nocedal & Wright, Ch. 2-3
2 Deterministic Gradient Descent
Info
  • 고정 step size의 감소 부등식을 증명한다.
  • Nonconvex 문제의 정상점 수렴을 보인다.
  • Convex 및 strongly convex 수렴속도를 유도한다.
Nocedal & Wright, Ch. 3
3 Line Search Methods
Info
  • Armijo와 Wolfe step의 존재성을 보인다.
  • Zoutendijk 정리를 증명한다.
  • 일반 descent method의 전역 수렴을 분석한다.
Nocedal & Wright, Ch. 3
4 Accelerated Gradient Methods
Info
  • First-order oracle에서 acceleration과 optimal rate를 정의한다.
  • Heavy-Ball의 quadratic spectral rate와 한계를 분석한다.
  • Nesterov의 convex·strongly convex 수렴과 restart를 증명한다.
Polyak; Bubeck, Secs. 3.5, 3.7
5 Conjugate Gradient Methods
Info
  • Conjugate direction을 유도한다.
  • Quadratic 문제의 유한 종료를 증명한다.
  • Condition-number bound를 구한다.
Nocedal & Wright, Ch. 5
6 Newton’s Method
Info
  • 이차 근사에서 Newton step을 유도한다.
  • Local quadratic convergence를 증명한다.
  • Damped Newton의 전역 수렴을 분석한다.
Nocedal & Wright, Ch. 2-3
7 Quasi-Newton Methods
Info
  • Secant equation과 BFGS update를 유도한다.
  • 양의 정부호성의 보존을 증명한다.
  • Superlinear convergence 조건을 정리한다.
Nocedal & Wright, Ch. 6
8 Trust-Region Methods
Info
  • Cauchy point의 충분 감소를 유도한다.
  • Trust-region radius 갱신을 분석한다.
  • 전역 및 국소 수렴을 증명한다.
Nocedal & Wright, Ch. 4
9 Subgradient Methods
Info
  • Subgradient inequality를 반복식에 적용한다.
  • Diminishing step size의 수렴을 증명한다.
  • Convex 문제의 sublinear rate를 구한다.
Beck, Ch. 8
10 Proximal Point Method
Info
  • Proximal operator의 성질을 증명한다.
  • Fejér monotonicity를 보인다.
  • 목적함수값과 iterate의 수렴을 분석한다.
Beck, Ch. 6 & 10
11 Proximal Gradient Methods
Info
  • Composite descent inequality를 증명한다.
  • $\mathcal{O}(1/k)$ 및 선형 수렴을 유도한다.
  • FISTA의 $\mathcal{O}(1/k^2)$ 수렴을 보인다.
Beck, Ch. 10
12 Projected Gradient Methods
Info
  • Projection inequality를 증명한다.
  • Gradient mapping으로 정상성을 정의한다.
  • Constrained convergence를 분석한다.
Beck, Ch. 6, 8 & 10
13 Conditional Gradient Methods
Info
  • Frank–Wolfe direction을 유도한다.
  • Frank–Wolfe gap의 optimality bound를 증명한다.
  • Curvature를 이용해 $\mathcal{O}(1/k)$를 보인다.
Beck, Ch. 13
14 Constrained Optimality Theory
Info
  • 1차 필요조건을 유도한다.
  • Constraint qualification과 KKT를 증명한다.
  • 2차 필요조건과 충분조건을 구분한다.
Nocedal & Wright, Ch. 12 & 15
15 Penalty Methods
Info
  • Quadratic penalty 해의 수렴을 증명한다.
  • Penalty parameter와 conditioning을 분석한다.
  • Exact penalty의 성립 조건을 정리한다.
Nocedal & Wright, Ch. 17
16 Augmented Lagrangian Methods
Info
  • Multiplier update를 유도한다.
  • Primal feasibility의 수렴을 증명한다.
  • 극한점의 KKT 조건을 확인한다.
Nocedal & Wright, Ch. 17
17 Sequential Quadratic Programming
Info
  • KKT system에서 SQP step을 유도한다.
  • Hessian approximation의 영향을 분석한다.
  • Superlinear convergence를 증명한다.
Nocedal & Wright, Ch. 18
18 Interior-Point Methods
Info
  • Barrier path와 central path를 분석한다.
  • Primal-dual Newton step을 유도한다.
  • Residual 감소와 국소 수렴을 정리한다.
Nocedal & Wright, Ch. 19