Fast Convex Optimization via Time Scale and Averaging of the Steepest Descent

数学 下降(航空) 正多边形 数学优化 凸优化 梯度下降 比例(比率) 近端梯度法 人工智能 计算机科学 人工神经网络 几何学 量子力学 物理 工程类 航空航天工程
作者
Hédy Attouch,Radu Ioan Boţ,Dang‐Khoa Nguyen
出处
期刊:Mathematics of Operations Research [Institute for Operations Research and the Management Sciences]
卷期号:50 (4): 2633-2665 被引量:1
标识
DOI:10.1287/moor.2023.0186
摘要

In a Hilbert setting, we develop a gradient-based dynamic approach for fast solving convex optimization problems. By applying time scaling, averaging, and perturbation techniques to the continuous steepest descent (SD), we obtain high-resolution ordinary differential equations of the Nesterov and Ravine methods. These dynamics involve asymptotically vanishing viscous damping and Hessian-driven damping (either in explicit or implicit form). Mathematical analysis does not require developing a Lyapunov analysis for inertial systems. We simply exploit classical convergence results for SD and its external perturbation version, then use tools of differential and integral calculus, including Jensen’s inequality. The method is flexible, and by way of illustration, we show how it applies starting from other important dynamics in optimization. We consider the case in which the initial dynamic is the regularized Newton method, then the case in which the starting dynamic is the differential inclusion associated with a convex lower semicontinuous potential, and finally we show that the technique can be naturally extended to the case of a monotone cocoercive operator. Our approach leads to parallel algorithmic results, which we study in the case of fast gradient and proximal algorithms. Our averaging technique shows new links between the Nesterov and Ravine methods. Funding: The research of R.I. Boţ and D.-K. Nguyen was supported by the Austrian Science Fund (FWF), projects W 1260 and P 34922-N.

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