On the geometry of optimization problems and their structure
Sur la géométrie de problèmes d'optimisation et leur structure
Résumé
In numerous fields such as machine learning, operational research or circuit design, a task is modeled by a set of parameters to be optimized in order to take the best possible decision. Formally, the problem amounts to minimize a function describing the desired objective with iterative algorithms. The development of these latter depends then on the characterization of the geometry of the function or the structure of the problem. In a first part, this thesis studies how sharpness of a function around its minimizers can be exploited by restarting classical algorithms. Optimal schemes are presented for general convex problems. They require however a complete description of the function that is rarely available. Adaptive strategies are therefore developed and shown to achieve nearly optimal rates. A specific analysis is then carried out for sparse problems that seek for compressed representation of the variables of the problem. Their underlying conic geometry, that describes sharpness of the objective, is shown to control both the statistical performance of the problem and the efficiency of dedicated optimization methods by a single quantity. A second part is dedicated to machine learning problems. These perform predictive analysis of data from large set of examples. A generic framework is presented to both solve the prediction problem and simplify it by grouping either features, samples or tasks. Systematic algorithmic approaches are developed by analyzing the geometry induced by partitions of the data. A theoretical analysis is then carried out for grouping features by analogy to sparse methods.
Dans de nombreux domaines tels que l’apprentissage statistique, la recherche opérationnelle ou encore la conception de circuits, une tâche est modélisée par un jeu de paramètres que l’on cherche à optimiser pour prendre la meilleure décision possible. Mathématiquement, le problème revient à minimiser une fonction de l’objectif recherché par des algorithmes itératifs. Le développement de ces derniers dépend alors de la géométrie de la fonction ou de la structure du problème. Dans une première partie, cette thèse étudie comment l’acuité d’une fonction autour de ses minima peut être exploitée par le redémarrage d’algorithmes classiques. Les schémas optimaux sont présentés pour des problèmes convexes généraux. Ils nécessitent cependant une description complète de la fonction, ce qui est rarement disponible. Des stratégies adaptatives sont donc développées et prouvées être quasi-optimales. Une analyse spécifique est ensuite conduite pour les problèmes parcimonieux qui cherchent des représentations compressées des variables du problème. Leur géométrie conique sous-jacente, qui décrit l’acuité de la fonction de l’objectif, se révèle contrôler à la fois la performance statistique du problème et l’efficacité des procédures d’optimisation par une seule quantité. Une seconde partie est dédiée aux problèmes d’apprentissage statistique. Ceux-ci effectuent une analyse prédictive de données à l’aide d’un large nombre d’exemples. Une approche générique est présentée pour à la fois résoudre le problème de prédiction et le simplifier en groupant soit les variables, les exemples ou les tâches. Des méthodes algorithmiques systématiques sont développées en analysant la géométrie induite par une partition des données. Une analyse théorique est finalement conduite lorsque les variables sont groupées par analogie avec les méthodes parcimonieuses.
Origine : Version validée par le jury (STAR)