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数学 > 优化与控制

arXiv:2508.18764 (math)
[提交于 2025年8月26日 (v1) ,最后修订 2025年8月27日 (此版本, v2)]

标题: 约束优化的几何:通过参数化约束梯度流:A-稳定隐式格式,从平稳性得到KKT,以及尊重几何的算法

标题: The Geometry of Constrained Optimization: Constrained Gradient Flows via Reparameterization: A-Stable Implicit Schemes, KKT from Stationarity, and Geometry-Respecting Algorithms

Authors:Valentin Leplat
摘要: 梯度流(GF)观点统一并阐明了优化算法,但大多数GF分析集中在无约束设置上。 我们通过(i)用雅可比矩阵在边界(正则/盒子)上消失或在单纯形上具有秩$n-1$的映射重新参数化可行集(Fisher-Shahshahani 算子),(ii)推导出在参数空间中诱导可行原始动力学的流,(iii)使用A稳定的隐式方案进行离散化(向量域上的后向欧拉;Stiefel上的可行Cayley),由稳健的内部循环求解(修改的高斯-牛顿或KL近似/负熵牛顿-KKT求解器),以及(iv)证明动态的平稳性意味着KKT,互补松弛性来源于一个简单的运动学机制(由雅可比矩阵消失或单纯形上的Fisher-Shahshahani算子引起的零法向速度)。 我们还处理了Stiefel流形,其中黎曼平稳性与KKT一致。 该理论为每种约束类提供了高效且尊重几何的算法,具有单调下降且没有步长限制。 我们简要讨论了A稳定性,并展示了数值测试(NNLS、单纯形和盒子约束的最小二乘问题以及Stiefel)表明隐式方案的稳定性、准确性和运行效率。
摘要: Gradient-flow (GF) viewpoints unify and illuminate optimization algorithms, yet most GF analyses focus on unconstrained settings. We develop a geometry-respecting framework for constrained problems by (i) reparameterizing feasible sets with maps whose Jacobians vanish on the boundary (orthant/box) or have rank $n-1$ on the simplex (the Fisher--Shahshahani operator), (ii) deriving flows in parameter space that induce feasible primal dynamics, (iii) discretizing with A-stable implicit schemes (backward Euler on vector domains; feasible Cayley on Stiefel) solved by robust inner loops (modified Gauss--Newton or a KL-prox/negative-entropy Newton--KKT solver), and (iv) proving that stationarity of the dynamics implies KKT, with complementary slackness arising from a simple kinematic mechanism (zero normal speed induced by a vanishing Jacobian or by the Fisher--Shahshahani operator on the simplex). We also treat the Stiefel manifold, where Riemannian stationarity coincides with KKT. The theory yields efficient, geometry-respecting algorithms for each constraint class, with monotone descent and no step-size cap. We include a brief A-stability discussion and present numerical tests (NNLS, simplex- and box-constrained least squares, and Stiefel) demonstrating stability, accuracy, and runtime efficiency of the implicit schemes.
主题: 优化与控制 (math.OC)
引用方式: arXiv:2508.18764 [math.OC]
  (或者 arXiv:2508.18764v2 [math.OC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.18764
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Valentin Leplat [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 8 月 26 日 07:45:47 UTC (984 KB)
[v2] 星期三, 2025 年 8 月 27 日 20:16:16 UTC (985 KB)
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