Contribution à la méthode des moments et sommes de carrés en optimisation globale

Contributions to the moment-SOS approach in global polynomial optimization

• Auteur / Autrice : Thanh Tung Phan
• Direction : Jean-Bernard Lasserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moments, Méthodes des (statistique)

Optimisation globale

Mots clés libres

Moment problem

Positive polynomial

Sums of squares

Global polynomial optimization

Moment relaxation

Résumé

L''Optimisation Polynomiale' s'intéresse aux problèmes d'optimisation P de la forme min {f(x): x dans K} où f est un polynôme et K est un ensemble semi-algébrique de base, c'est-à-dire défini par un nombre fini de contraintes inégalité polynomiales, K={x dans Rn : gj(x) <= 0}. Cette sous discipline de l'optimisation a émergé dans la dernière décennie grâce à la combinaison de deux facteurs: l'existence de certains résultats puissants de géométrie algébrique réelle et la puissance de l'optimisation semidéfinie (qui permet d'exploiter les premiers). Il en a résulté une méthodologie générale (que nous appelons ``moments-SOS') qui permet d'approcher aussi près que l'on veut l'optimum global de P en résolvant une hiérarchie de relaxations convexes. Cependant, chaque relaxation étant un programme semi-défini dont la taille augmente avec le rang dans la hiérarchie, malheureusement, au vu de l'état de l'art actuel des progiciels de programmation semidéfinie, cette méthodologie est pour l'instant limitée à des problèmes P de taille modeste sauf si des symétries ou de la parcimonie sont présentes dans la définition de P. Cette thèse essaie donc de répondre à la question: Peux-t-on quand même utiliser la méthodologie moments-SOS pour aider à résoudre P même si on ne peut résoudre que quelques (voire une seule) relaxations de la hiérarchie? Et si oui, comment? Nous apportons deux contributions: I. Dans une première contribution nous considérons les problèmes non convexes en variables mixtes (MINLP) pour lesquelles dans les contraintes polynomiales {g(x) <=0} où le polynôme g n'est pas concave, g est concerné par peu de variables. Pour résoudre de tels problèmes (de taille est relativement importante) on utilise en général des méthodes de type ``Branch-and-Bound'. En particulier, pour des raisons d'efficacité évidentes, à chaque nœud de l'arbre de recherche on doit calculer rapidement une borne inférieure sur l'optimum global. Pour ce faire on utilise des relaxations convexes du problème obtenues grâce à l'utilisation de sous estimateurs convexes du critère f (et des polynômes g pour les contraintes g(x)<= 0 non convexes). Notre contribution est de fournir une méthodologie générale d'obtention de tels sous estimateurs polynomiaux convexes pour tout polynôme g, sur une boite. La nouveauté de notre contribution (grâce à la méthodologie moment-SOS) est de pouvoir minimiser directement le critère d'erreur naturel qui mesure la norme L_1 de la différence f-f' entre f et son sous estimateur convexe polynomial f'. Les résultats expérimentaux confirment que le sous estimateur convexe polynomial que nous obtenons est nettement meilleur que ceux obtenus par des méthodes classiques de type ``alpha-BB' et leurs variantes, tant du point de vue du critère L_1 que du point de vue de la qualité des bornes inférieures obtenus quand on minimise f' (au lieu de f) sur la boite. II: Dans une deuxième contribution on considère des problèmes P pour lesquels seules quelques relaxations de la hiérarchie moments-SOS peuvent être implantées, par exemple celle de rang k dans la hiérarchie, et on utilise la solution de cette relaxation pour construire une solution admissible de P. Cette idée a déjà été exploitée pour certains problèmes combinatoire en variables 0/1, parfois avec des garanties de performance remarquables (par exemple pour le problème MAXCUT). Nous utilisons des résultats récents de l'approche moment-SOS en programmation polynomiale paramétrique pour définir un algorithme qui calcule une solution admissible pour P à partir d'une modification mineure de la relaxation convexe d'ordre k. L'idée de base est de considérer la variable x_1 comme un paramètre dans un intervalle Y_1 de R et on approxime la fonction ``valeur optimale' J(y) du problème d'optimisation paramétrique P(y)= min {f(x): x dans K; x_1=y} par un polynôme univarié de degré d fixé. Cette étape se ramène à la résolution d'un problème d'optimisation convexe (programme semidéfini). On calcule un minimiseur global y de J sur l'intervalle Y (un problème d'optimisation convexe ``facile') et on fixe la variable x_1=y. On itère ensuite sur les variables restantes x_2,. . . ,x_n en prenant x_2 comme paramètre dans un intervalle Y_2, etc. Jusqu'à obtenir une solution complète x de R^n qui est faisable si K est convexe ou dans certains problèmes en variables 0/1 où la faisabilité est facile à vérifier (e. G. , MAXCUT, k-CLUSTTER, Knapsack). Sinon on utilise le point obtenu x comme initialisation dans un procédure d'optimisation locale pour obtenir une solution admissible. Les résultats expérimentaux obtenus sur de nombreux exemples sont très encourageants et prometteurs.

Polynomial Optimization is concerned with optimization problems of the form (P) : f* = { f(x) with x in set K}, where K is a basic semi-algebraic set in Rn defined by K={x in Rn such as gj(x) less or equal 0}; and f is a real polynomial of n variables x = (x1, x2,. . . , xn). In this thesis we are interested in problems (P) where symmetries and/or structured sparsity are not easy to detect or to exploit, and where only a few (or even no) semidefinite relaxations of the moment-SOS approach can be implemented. And the issue we investigate is: How can the moment-SOS methodology be still used to help solve such problem (P)? We provide two applications of the moment-SOS approach to help solve (P) in two different contexts. * In a first contribution we consider MINLP problems on a box B = [xL, xU] of Rn and propose a moment-SOS approach to construct polynomial convex underestimators for the objective function f (if non convex) and for -gj if in the constraint gj(x) less or equal 0, the polynomial gj is not concave. We work in the context where one wishes to find a convex underestimator of a non-convex polynomial f of a few variables on a box B of Rn. The novelty with previous works on this topic is that we want to compute a polynomial convex underestimator p of f that minimizes the important tightness criterion which is the L1 norm of (f-h) on B, over all convex polynomials h of degree d _fixed. Indeed in previous works for computing a convex underestimator L of f, this tightness criterion is not taken into account directly. It turns out that the moment-SOS approach is well suited to compute a polynomial convex underestimator p that minimizes the tightness criterion and numerical experiments on a sample of non-trivial examples show that p outperforms L not only with respect to the tightness score but also in terms of the resulting lower bounds obtained by minimizing respectively p and L on B. Similar improvements also occur when we use the moment-SOS underestimator instead of the aBB-one in refinements of the aBB method. * In a second contribution we propose an algorithm that also uses an optimal solution of a semidefinite relaxation in the moment-SOS hierarchy (in fact a slight modification) to provide a feasible solution for the initial optimization problem but with no rounding procedure. In the present context, we treat the first variable x1 of x = (x1, x2,. . . . , xn) as a parameter in some bounded interval Y of R. Notice that f*=min { J(y) : y in Y} where J is the function J(y) := inf {f(x) : x in K ; x1=y}. That is one has reduced the original n-dimensional optimization problem (P) to an equivalent one-dimensional optimization problem on an interval. But of course determining the optimal value function J is even more complicated than (P) as one has to determine a function (instead of a point in Rn), an infinite-dimensional problem. But the idea is to approximate J(y) on Y by a univariate polynomial p(y) with the degree d and fortunately, computing such a univariate polynomial is possible via solving a semidefinite relaxation associated with the parameter optimization problem. The degree d of p(y) is related to the size of this semidefinite relaxation. The higher the degree d is, the better is the approximation of J(y) by p(y) and in fact, one may show that p(y) converges to J(y) in a strong sense on Y as d increases. But of course the resulting semidefinite relaxation becomes harder (or impossible) to solve as d increases and so in practice d is fixed to a small value. Once the univariate polynomial p(y) has been determined, one computes x1* in Y that minimizes p(y) on Y, a convex optimization problem that can be solved efficiently. The process is iterated to compute x2 in a similar manner, and so on, until a point x in Rn has been computed. Finally, as x* is not feasible in general, we then use x* as a starting point for a local optimization procedure to find a final feasible point x in K. When K is convex, the following variant is implemented. After having computed x1* as indicated, x2* is computed with x1 fixed at the value x1*, and x3 is computed with x1 and x2 fixed at the values x1* and x2* respectively, etc. , so that the resulting point x* is feasible, i. E. , x* in K. The same variant applies for 0/1 programs for which feasibility is easy to detect like e. G. , for MAXCUT, k-CLUSTER or 0/1-KNAPSACK problems.