Algorithmes exacts pour les variétés déterminantielles et la programmation semi-définie

Exact algorithms for determinantal varieties and semidefinite programming

• Auteur / Autrice : Simone Naldi
• Direction : Didier Henrion, Mohab Safey El Din
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Informatique
• Date : Soutenance le 24/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....) - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse] [LAAS]
• Jury : Président / Présidente : Bruno Salvy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Henrion, Mohab Safey El Din, Jean-Charles Faugere, Bernard Mourrain, Giorgio Ottaviani, Markus Schweighofer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephane Gaubert, Bernd Sturmfels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Calcul formel

Mots clés libres

Optimisation semi-définie

Inégalités matricielles linéaires

Algorithmes exacts

Complexité

Variétés déterminantielles

Calcul formel

Optimisation semi-algébrique

Semidefinite programming

Exact algorithms

Complexity

Determinantal varieties

Polynomial system solving

Real root finding

Semialgebraic optimization

Linear matrix inequalities

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude des structures déterminantielles apparaissent dans l'optimisation semi-définie (SDP), le prolongement naturel de la programmation linéaire au cône des matrices symétrique semi-définie positives. Si l'approximation d'une solution d'un programme semi-défini peut être calculé efficacement à l'aide des algorithmes de points intérieurs, ni des algorithmes exacts efficaces pour la SDP sont disponibles, ni une compréhension complète de sa complexité théorique a été atteinte. Afin de contribuer à cette question centrale en optimisation convexe, nous concevons un algorithme exact pour décider la faisabilité d'une inégalité matricielle linéaire (LMI) A(x)⪰0. Quand le spectraèdre associé (le lieu S des S ={x ∈ ℝ^n : A(x)⪰0} n'est pas vide, la sortie de cet algorithme est une représentation algébrique d'un ensemble fini qui contient au moins un point x ∈ S : dans ce cas, le point x minimise le rang de A(x) sur S. La complexité est essentiellement quadratique en le degré de la représentation en sortie, qui coïncide, expérimentalement, avec le degré algébrique de l'optimisation semi-définie. C'est un garantie d'optimalité de cette approche dans le contexte des algorithmes exacts pour les LMI et la SDP. Remarquablement, l'algorithme ne suppose pas la présence d'un point intérieur dans S, et il profite de l'existence de solutions de rang faible de l'LMI A(x)⪰0. Afin d'atteindre cet objectif principal, nous développons une approche systématique pour les variétés déterminantielles associées aux matrices linéaires. Nous prouvons que décider la faisabilité d'une LMI A(x)⪰0 se réduit à calculer des points témoins dans les variétés déterminantielles définies sur A(x). Nous résolvons ce problème en concevant un algorithme exact pour calculer au moins un point dans chaque composante connexe réelle du lieu des chutes de rang de A(x). Cet algorithme prend aussi avantage des structures supplémentaires, et sa complexité améliore l'état de l'art en géométrie algébrique réelle. Enfin, les algorithmes développés dans cette thèse sont implantés dans une nouvelle bibliothèque Maple appelé Spectra, et les résultats des expériences mettant en évidence la meilleure complexité sont fournis.

In this thesis we focus on the study of determinantal structures arising in semidefinite programming (SDP), the natural extension of linear programming to the cone of symetric positive semidefinite matrices. While the approximation of a solution of a semidefinite program can be computed efficiently by interior-point algorithms, neither efficient exact algorithms for SDP are available, nor a complete understanding of its theoretical complexity has been achieved. In order to contribute to this central question in convex optimization, we design an exact algorithm for deciding the feasibility of a linear matrix inequality (LMI) A(x)⪰0. When the spectrahedron S ={x ∈ ℝ^n : A(x)⪰0} is not empty, the output of this algorithm is an algebraic representation of a finite set meeting S in at least one point x*: in this case, the point x* minimizes the rank of the pencil on the spectrahedron. The complexity is essentially quadratic in the degree of the output representation, which meets, experimentally, the algebraic degree of semidefinite programs associated to A(x). This is a guarantee of optimality of this approach in the context of exact algorithms for LMI and SDP. Remarkably, the algorithm does not assume the presence of an interior point in the spectrahedron, and it takes advantage of the existence of low rank solutions of the LMI. In order to reach this main goal, we develop a systematic approach to determinantal varieties associated to linear matrices. Indeed, we prove that deciding the feasibility of a LMI can be performed by computing a sample set of real solutions of determinantal polynomial systems. We solve this problem by designing an exact algorithm for computing at least one point in each real connected component of the locus of rank defects of a pencil A(x). This algorithm admits as input generic linear matrices but takes also advantage of additional structures, and its complexity improves the state of the art in computational real algebraic geometry. Finally, the algorithms developed in this thesis are implemented in a new Maple library called {Spectra}, and results of experiments highlighting the complexity gain are provided.