The problem of tensor completion has applications in healthcare, computer vision, and other domains. However, past approaches to tensor completion have faced a tension in that they either have polynomial-time computation but require exponentially more samples than the information-theoretic rate, or they use fewer samples but require solving NP-hard problems for which there are no known practical algorithms. A recent approach, based on integer programming, resolves this tension for nonnegative tensor completion. It achieves the information-theoretic sample complexity rate and deploys the Blended Conditional Gradients algorithm, which requires a linear (in numerical tolerance) number of oracle steps to converge to the global optimum. The tradeoff in this approach is that, in the worst case, the oracle step requires solving an integer linear program. Despite this theoretical limitation, numerical experiments show that this algorithm can, on certain instances, scale up to 100 million entries while running on a personal computer. The goal of this paper is to further enhance this algorithm, with the intention to expand both the breadth and scale of instances that can be solved. We explore several variants that can maintain the same theoretical guarantees as the algorithm, but offer potentially faster computation. We consider different data structures, acceleration of gradient descent steps, and the use of the Blended Pairwise Conditional Gradients algorithm. We describe the original approach and these variants, and conduct numerical experiments in order to explore various tradeoffs in these algorithmic design choices.

与矩阵完成不同，到目前为止没有迄今为止迄今为止的张量完成问题算法来实现信息理论样本复杂度率。本文开发了一种新的非负面张量的特殊情况算法。我们证明我们的算法在线（在数值公差）的Oracle步骤中收敛，同时实现信息理论速率。我们的方法是使用我们构建的特异性0-1多孔渗的仪表来定义非负张于非负张量的新标准。由于使用0-1多特渗透来定义规范，因此我们可以使用整数线性编程来解决多托的线性分离问题。我们将这种洞察力与Frank-Wolfe算法的变种相结合，构建了我们的数值算法，我们通过实验展示了其有效性和可扩展性。

本文提出了弗兰克 - 沃尔夫（FW）的新变种​​，称为$ k $ fw。标准FW遭受缓慢的收敛性：迭代通常是Zig-zag作为更新方向振荡约束集的极端点。新变种，$ k $ fw，通过在每次迭代中使用两个更强的子问题oracelles克服了这个问题。第一个是$ k $线性优化Oracle（$ k $ loo），计算$ k $最新的更新方向（而不是一个）。第二个是$ k $方向搜索（$ k $ ds），最大限度地减少由$ k $最新更新方向和之前迭代表示的约束组的目标。当问题解决方案承认稀疏表示时，奥克斯都易于计算，而且$ k $ FW会迅速收敛，以便平滑凸起目标和几个有趣的约束集：$ k $ fw实现有限$ \ frac {4l_f ^ 3d ^} { \ Gamma \ Delta ^ 2} $融合在多台和集团规范球上，以及光谱和核规范球上的线性收敛。数值实验验证了$ k $ fw的有效性，并展示了现有方法的数量级加速。

由于机器学习，统计和科学的应用，多边缘最佳运输（MOT）引起了极大的兴趣。但是，在大多数应用中，MOT的成功受到缺乏有效算法的严重限制。实际上，MOT一般需要在边际K及其支撑大小n的数量中指数时间n。本文开发了一个关于“结构”在poly（n，k）时间中可溶解的一般理论。我们开发了一个统一的算法框架，用于通过表征不同算法所需的“结构”来解决poly（n，k）时间中的MOT，这是根据双重可行性甲骨文的简单变体所需的。该框架有几个好处。首先，它使我们能够证明当前是最流行的MOT算法的Sinkhorn算法比其他算法要在poly（n，k）时间中求解MOT所需的结构更严格。其次，我们的框架使得为给定的MOT问题开发poly（n，k）时间算法变得更加简单。特别是（大约）解决双重可行性Oracle是必要和足够的 - 这更适合标准算法技术。我们通过为三个通用类成本结构类别的poly（n，k）时间算法开发poly（n，k）时间算法来说明这种易用性：（1）图形结构； （2）设定优化结构； （3）低阶和稀疏结构。对于结构（1），我们恢复了Sindhorn具有poly（n，k）运行时的已知结果；此外，我们为计算精确且稀疏的解决方案提供了第一个poly（n，k）时间算法。对于结构（2） - （3），我们给出了第一个poly（n，k）时间算法，甚至用于近似计算。这三个结构一起涵盖了许多MOT的当前应用。

Tensor完成是矩阵完成的自然高阶泛化，其中目标是从其条目的稀疏观察中恢复低级张量。现有算法在没有可证明的担保的情况下是启发式，基于解决运行不切实际的大型半纤维程序，或者需要强大的假设，例如需要因素几乎正交。在本文中，我们介绍了交替最小化的新变型，其又通过了解如何对矩阵设置中的交替最小化的收敛性的进展措施来调整到张量设置的启发。我们展示了强大的可证明的保证，包括表明我们的算法即使当因素高度相关时，我们的算法也会在真正的张量线上会聚，并且可以在几乎线性的时间内实现。此外，我们的算法也非常实用，我们表明我们可以完成具有千维尺寸的三阶张量，从观察其条目的微小一部分。相比之下，有些令人惊讶的是，我们表明，如果没有我们的新扭曲，则表明交替最小化的标准版本可以在实践中以急剧速度收敛。

给定数据点之间的一组差异测量值，确定哪种度量表示与输入测量最“一致”或最能捕获数据相关几何特征的度量是许多机器学习算法的关键步骤。现有方法仅限于特定类型的指标或小问题大小，因为在此类问题中有大量的度量约束。在本文中，我们提供了一种活跃的集合算法，即项目和忘记，该算法使用Bregman的预测，以解决许多（可能是指数）不平等约束的度量约束问题。我们提供了\ textsc {project and Hoses}的理论分析，并证明我们的算法会收敛到全局最佳解决方案，并以指数速率渐近地渐近地衰减了当前迭代的$ L_2 $距离。我们证明，使用我们的方法，我们可以解决三种类型的度量约束问题的大型问题实例：一般体重相关聚类，度量近距离和度量学习；在每种情况下，就CPU时间和问题尺寸而言，超越了艺术方法的表现。

广义自我符合是许多重要学习问题的目标功能中存在的关键属性。我们建立了一个简单的Frank-Wolfe变体的收敛速率，该变体使用开环步数策略$ \ gamma_t = 2/（t+2）$，获得了$ \ Mathcal {o}（1/t）$收敛率对于这类功能，就原始差距和弗兰克 - 沃尔夫差距而言，$ t $是迭代计数。这避免了使用二阶信息或估计以前工作的局部平滑度参数的需求。我们还显示了各种常见病例的收敛速率的提高，例如，当所考虑的可行区域均匀地凸或多面体时。

我们使用张量奇异值分解（T-SVD）代数框架提出了一种新的快速流算法，用于抵抗缺失的低管级张量的缺失条目。我们展示T-SVD是三阶张量的研究型块术语分解的专业化，我们在该模型下呈现了一种算法，可以跟踪从不完全流2-D数据的可自由子模块。所提出的算法使用来自子空间的基层歧管的增量梯度下降的原理，以解决线性复杂度和时间样本的恒定存储器的张量完成问题。我们为我们的算法提供了局部预期的线性收敛结果。我们的经验结果在精确态度上具有竞争力，但在计算时间内比实际应用上的最先进的张量完成算法更快，以在有限的采样下恢复时间化疗和MRI数据。

张量分解是从多维非负数据中提取物理有意义的潜在因素的强大工具，并且对诸如图像处理，机器学习和计算机视觉等各个领域的兴趣越来越多。在本文中，我们提出了一种稀疏的非负塔克分解和完成方法，用于在嘈杂的观察结果下恢复潜在的非负数据。在这里，基本的非负数据张量分解为核心张量，几个因子矩阵，所有条目均为无负，并且因子矩阵稀疏。损失函数是由嘈杂观测值的最大似然估计得出的，并且使用$ \ ell_0 $ norm来增强因子矩阵的稀疏性。我们在通用噪声场景下建立了拟议模型的估计器的误差结合，然后将其指定为具有加性高斯噪声，加法拉普拉斯噪声和泊松观测的观测值。我们的理论结果比现有基于张量或基于矩阵的方法更好。此外，最小值的下限显示与对数因子的衍生上限相匹配。合成数据集和现实世界数据集的数值示例证明了提出的非负张量数据完成方法的优越性。

We provide stronger and more general primal-dual convergence results for Frank-Wolfe-type algorithms (a.k.a. conditional gradient) for constrained convex optimization, enabled by a simple framework of duality gap certificates. Our analysis also holds if the linear subproblems are only solved approximately (as well as if the gradients are inexact), and is proven to be worst-case optimal in the sparsity of the obtained solutions.On the application side, this allows us to unify a large variety of existing sparse greedy methods, in particular for optimization over convex hulls of an atomic set, even if those sets can only be approximated, including sparse (or structured sparse) vectors or matrices, low-rank matrices, permutation matrices, or max-norm bounded matrices. We present a new general framework for convex optimization over matrix factorizations, where every Frank-Wolfe iteration will consist of a low-rank update, and discuss the broad application areas of this approach.

混合成员非线性优化是具有组合结构和非线性的广泛问题。典型的精确方法将分支和结合的方案与放松和分离子例程相结合。我们研究了基于此设置的Frank-Wolfe算法的错误自适应一阶方法的属性和优势，仅需要梯度甲骨文来实现目标函数和可行集合上的线性优化。特别是，我们将研究通过分支和结合方法进行优化的算法后果，在这种方法中，由于Frank-Wolfe线性甲骨文而引起的混合构件的凸面上的子问题与解决连续放松上的子问题相比同一组。这种新颖的方法在处理多面体约束的单个表示时计算可行的解决方案，利用了没有外近似方案的混合智能编程（MIP）求解器的全部范围。

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

在依赖添加剂线性组合的模型中，出现了多个右侧（MNNL）的非负平方问题。特别是，它们是大多数非负矩阵分解算法的核心，并且具有许多应用。已知非负约束自然有利于稀疏性，即几乎没有零条目的解决方案。但是，它通常可以进一步增强这种稀疏性很有用，因为它可以提高结果的解释性并有助于减少噪声，从而导致稀疏的MNNL问题。在本文中，与大多数实施稀疏柱或行的大多数作品相反，我们首先引入了稀疏MNNL的新颖配方，并具有矩阵的稀疏性约束。然后，我们提出了一种两步算法来解决这个问题。第一步将稀疏的MNNL划分为子问题，每列的原始问题一列。然后，它使用不同的算法来确切或大约为每个子问题产生一个帕累托正面，即产生一组代表重建误差和稀疏性之间不同权衡的解决方案。第二步选择了这些帕累托前部之间的解决方案，以构建一个稀疏约束矩阵，以最大程度地减少重建误差。我们对面部和高光谱图像进行实验，我们表明我们提出的两步方法比最新的稀疏编码启发式方法提供了更准确的结果。

最近的论文开发了CP和张量环分解的交替正方形（ALS）方法，其均值成本是sublinear，在低级别分解的输入张量输入量中是sublinear。在本文中，我们提出了基于抽样的ALS方法，用于CP和张量环分解，其成本没有指数级的依赖性，从而显着改善了先前的最先前。我们提供详细的理论分析，并在特征提取实验中应用这些方法。

Kronecker产品的自然概括是Kronecker产品的张量Kronecker产品，在多个研究社区中独立出现。像它们的矩阵对应物一样，张量的概括为隐式乘法和分解定理提供了结构。我们提出了一个定理，该定理将张量kronecker产品的主要特征向量分解，这是从矩阵理论到张量特征向量的罕见概括。该定理意味着在kronecker产品的张量功率方法的迭代中应该存在低级结构。我们研究了网络对齐算法TAME中的低等级结构，这是一种功率方法启发式方法。直接或通过新的启发式嵌入方法使用低级结构，我们生成的新算法在提高或保持准确性的同时更快，并扩展到无法通过现有技术实际处理的问题。

计算Wassersein BaryCenters（A.K.A.最佳运输重构）是由于数据科学的许多应用，最近引起了相当大的关注的几何问题。虽然存在任何固定维度的多项式时间算法，但所有已知的运行时间都在维度中呈指数级。这是一个开放的问题，无论是这种指数依赖性是否可改进到多项式依赖性。本文证明，除非P = NP，答案是否定的。这揭示了Wassersein的BaryCenter计算的“维度诅咒”，其不会发生最佳运输计算。此外，我们对计算Wassersein的硬度结果延伸到近似计算，看似简单的问题案例，以及在其他最佳运输指标中平均概率分布。

该博士学位论文的中心对象是在计算机科学和统计力学领域的不同名称中以不同名称而闻名的。在计算机科学中，它被称为“最大切割问题”，这是著名的21个KARP的原始NP硬性问题之一，而物理学的相同物体称为Ising Spin Glass模型。这种丰富的结构的模型通常是减少或重新制定计算机科学，物理和工程学的现实问题。但是，准确地求解此模型（查找最大剪切或基态）可能会留下一个棘手的问题（除非$ \ textit {p} = \ textit {np} $），并且需要为每一个开发临时启发式学特定的实例家庭。离散和连续优化之间的明亮而美丽的连接之一是一种基于半限定编程的圆形方案，以最大程度地切割。此过程使我们能够找到一个近乎最佳的解决方案。此外，该方法被认为是多项式时间中最好的。在本论文的前两章中，我们研究了旨在改善舍入方案的局部非凸照。在本文的最后一章中，我们迈出了一步，并旨在控制我们想要在前几章中解决的问题的解决方案。我们在Ising模型上制定了双层优化问题，在该模型中，我们希望尽可能少地调整交互作用，以使所得ISING模型的基态满足所需的标准。大流行建模出现了这种问题。我们表明，当相互作用是非负的时，我们的双层优化是在多项式时间内使用凸编程来解决的。

约束的张量和矩阵分子化模型允许从多道数据中提取可解释模式。因此，对于受约束的低秩近似度的可识别性特性和有效算法是如此重要的研究主题。这项工作涉及低秩近似的因子矩阵的列，以众所周知的和可能的过度顺序稀疏，该模型包括基于字典的低秩近似（DLRA）。虽然早期的贡献集中在候选列字典内的发现因子列，即一稀疏的近似值，这项工作是第一个以大于1的稀疏性解决DLRA。我建议专注于稀疏编码的子问题，在解决DLRA时出现的混合稀疏编码（MSC）以交替的优化策略在解决DLRA时出现。提供了基于稀疏编码启发式的几种算法（贪婪方法，凸起放松）以解决MSC。在模拟数据上评估这些启发式的性能。然后，我展示了如何基于套索来调整一个有效的MSC求解器，以计算高光谱图像处理和化学测量学的背景下的基于词典的基于矩阵分解和规范的多adic分解。这些实验表明，DLRA扩展了低秩近似的建模能力，有助于降低估计方差并提高估计因子的可识别性和可解释性。

The affine rank minimization problem consists of finding a matrix of minimum rank that satisfies a given system of linear equality constraints. Such problems have appeared in the literature of a diverse set of fields including system identification and control, Euclidean embedding, and collaborative filtering. Although specific instances can often be solved with specialized algorithms, the general affine rank minimization problem is NP-hard, because it contains vector cardinality minimization as a special case.In this paper, we show that if a certain restricted isometry property holds for the linear transformation defining the constraints, the minimum rank solution can be recovered by solving a convex optimization problem, namely the minimization of the nuclear norm over the given affine space. We present several random ensembles of equations where the restricted isometry property holds with overwhelming probability, provided the codimension of the subspace is Ω(r(m + n) log mn), where m, n are the dimensions of the matrix, and r is its rank.The techniques used in our analysis have strong parallels in the compressed sensing framework. We discuss how affine rank minimization generalizes this pre-existing concept and outline a dictionary relating concepts from cardinality minimization to those of rank minimization. We also discuss several algorithmic approaches to solving the norm minimization relaxations, and illustrate our results with numerical examples.

预处理一直是优化和机器学习方面的主食技术。它通常会减少其应用于矩阵的条件数，从而加快优化算法的收敛性。尽管实践中有许多流行的预处理技术，但大多数人缺乏降低病数的理论保证。在本文中，我们研究了最佳对角线预处理的问题，以分别或同时分别或同时缩放其行或列来实现任何全级矩阵的条件数量的最大降低。我们首先将问题重新将问题重新制定为一个准凸出问题，并提供了一种基线一分配算法，该算法在实践中易于实现，其中每次迭代都包含SDP可行性问题。然后，我们建议使用$ o（\ log（\ frac {1} {\ epsilon}）））$迭代复杂度提出多项式时间潜在的降低算法，其中每个迭代均由基于Nesterov-todd方向的牛顿更新组成。我们的算法基于该问题的表述，该问题是von Neumann最佳生长问题的广义版本。接下来，我们专注于单方面的最佳对角线预处理问题，并证明它们可以作为标准双SDP问题配方，我们应用了有效的定制求解器并研究我们最佳的对角线预处理的经验性能。我们在大型矩阵上进行的广泛实验表明，与基于启发式的预处理相比，最佳对角线预处理在减少条件数方面的实际吸引力。