Introduction
This study covers numerical iterative algorithms for continuous optimization rather than heuristic or metaheuristic search methods. For a problem
\[\underset{x\in\mathcal{X}}{\operatorname{minimize}}\ f(x),\] an algorithm generates a sequence $x_0,x_1,\ldots$ through an update rule $x_{k+1}=\mathcal{A}(x_k)$. Gradient, Newton, quasi-Newton, proximal, and constrained-optimization methods are derived from mathematical properties of $f$ and the feasible set $\mathcal{X}$.
The main focus is the theory behind these iterations: the assumptions under which $x_k$ converges, the solution or stationary point $x^\star$ it approaches, and the speed of that convergence. Rates such as the sublinear bound $f(x_k)-f^\star=\mathcal{O}(1/k)$, the linear bound $\lVert x_k-x^\star\rVert\leq C\rho^k$ for $0<\rho<1$, and the quadratic bound $\lVert x_{k+1}-x^\star\rVert\leq C\lVert x_k-x^\star\rVert^2$ are studied together with error bounds and iteration complexity.
Prerequisites
- Optimization (Undergraduate Level)
- Numerical Analysis
- Real Analysis
- Linear Algebra
- Calculus
References
- Jorge Nocedal and Stephen J. Wright, Numerical Optimization, 2nd ed., Springer, 2006.
- Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, Cambridge University Press, 2004.
- Amir Beck, First-Order Methods in Optimization, SIAM, 2017.
- Sébastien Bubeck, Convex Optimization: Algorithms and Complexity, Foundations and Trends in Machine Learning, 2015.
Curriculum
| No. | Title | Source | View |
| 1 | Basic of Optimization Algorithm Info - 감소 방향, 단조 감소, 충분 감소를 정의한다.
- 수렴의 종류와 수렴속도를 구분한다.
- Descent Lemma를 증명한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 2-3 | |
| 2 | Deterministic Gradient Descent Info - 고정 step size의 감소 부등식을 증명한다.
- Nonconvex 문제의 정상점 수렴을 보인다.
- Convex 및 strongly convex 수렴속도를 유도한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 3 | |
| 3 | Line Search Methods Info - Armijo와 Wolfe step의 존재성을 보인다.
- Zoutendijk 정리를 증명한다.
- 일반 descent method의 전역 수렴을 분석한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 3 | |
| 4 | Accelerated Gradient Methods Info - First-order oracle에서 acceleration과 optimal rate를 정의한다.
- Heavy-Ball의 quadratic spectral rate와 한계를 분석한다.
- Nesterov의 convex·strongly convex 수렴과 restart를 증명한다.
| Polyak; Bubeck, Secs. 3.5, 3.7 | |
| 5 | Conjugate Gradient Methods Info - Conjugate direction을 유도한다.
- Quadratic 문제의 유한 종료를 증명한다.
- Condition-number bound를 구한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 5 | |
| 6 | Newton’s Method Info - 이차 근사에서 Newton step을 유도한다.
- Local quadratic convergence를 증명한다.
- Damped Newton의 전역 수렴을 분석한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 2-3 | |
| 7 | Quasi-Newton Methods Info - Secant equation과 BFGS update를 유도한다.
- 양의 정부호성의 보존을 증명한다.
- Superlinear convergence 조건을 정리한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 6 | |
| 8 | Trust-Region Methods Info - Cauchy point의 충분 감소를 유도한다.
- Trust-region radius 갱신을 분석한다.
- 전역 및 국소 수렴을 증명한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 4 | |
| 9 | Subgradient Methods Info - Subgradient inequality를 반복식에 적용한다.
- Diminishing step size의 수렴을 증명한다.
- Convex 문제의 sublinear rate를 구한다.
| Beck, Ch. 8 | |
| 10 | Proximal Point Method Info - Proximal operator의 성질을 증명한다.
- Fejér monotonicity를 보인다.
- 목적함수값과 iterate의 수렴을 분석한다.
| Beck, Ch. 6 & 10 | |
| 11 | Proximal Gradient Methods Info - Composite descent inequality를 증명한다.
- $\mathcal{O}(1/k)$ 및 선형 수렴을 유도한다.
- FISTA의 $\mathcal{O}(1/k^2)$ 수렴을 보인다.
| Beck, Ch. 10 | |
| 12 | Projected Gradient Methods Info - Projection inequality를 증명한다.
- Gradient mapping으로 정상성을 정의한다.
- Constrained convergence를 분석한다.
| Beck, Ch. 6, 8 & 10 | |
| 13 | Conditional Gradient Methods Info - Frank–Wolfe direction을 유도한다.
- Frank–Wolfe gap의 optimality bound를 증명한다.
- Curvature를 이용해 $\mathcal{O}(1/k)$를 보인다.
| Beck, Ch. 13 | |
| 14 | Constrained Optimality Theory Info - 1차 필요조건을 유도한다.
- Constraint qualification과 KKT를 증명한다.
- 2차 필요조건과 충분조건을 구분한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 12 & 15 | |
| 15 | Penalty Methods Info - Quadratic penalty 해의 수렴을 증명한다.
- Penalty parameter와 conditioning을 분석한다.
- Exact penalty의 성립 조건을 정리한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 17 | |
| 16 | Augmented Lagrangian Methods Info - Multiplier update를 유도한다.
- Primal feasibility의 수렴을 증명한다.
- 극한점의 KKT 조건을 확인한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 17 | |
| 17 | Sequential Quadratic Programming Info - KKT system에서 SQP step을 유도한다.
- Hessian approximation의 영향을 분석한다.
- Superlinear convergence를 증명한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 18 | |
| 18 | Interior-Point Methods Info - Barrier path와 central path를 분석한다.
- Primal-dual Newton step을 유도한다.
- Residual 감소와 국소 수렴을 정리한다.
| Nocedal & Wright, Ch. 19 | |