图表匹配是一个重要的问题，它受到了广泛的关注，特别是在计算机视野领域。最近，最先进的方法寻求将图形与深度学习融合。然而，没有研究可以解释图形匹配算法在模型中播放的角色。因此，我们提出了一种积分对匹配问题的MILP制定的方法。该配方解决了最佳，它提供固有的基线。同时，通过释放图形匹配求解器的最佳保证并通过引入质量水平来导出类似的方法。这种质量级别控制了图形匹配求解器提供的解决方案的质量。此外，图表匹配问题的几个放松将进行测试。我们的实验评估提供了若干理论上的见解，并指导深图匹配方法的方向。
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大多数以前的基于学习的图形匹配算法通过丢弃一个或多个匹配约束并采用放宽的分配求解器来获取次优关卡的\ Textit {二次分配问题}（QAP）。这种放松可能实际上削弱了原始的图形匹配问题，反过来伤害了匹配的性能。在本文中，我们提出了一种基于深度学习的图形匹配框架，其适用于原始QAP而不会影响匹配约束。特别地，我们设计一个亲和分分配预测网络，共同学习一对亲和力并估计节点分配，然后我们开发由概率亲和力的可分辨率的求解器，其灵感来自对成对亲和力的概率视角。旨在获得更好的匹配结果，概率求解器以迭代方式精制估计的分配，以施加离散和一对一的匹配约束。所提出的方法是在三个普遍测试的基准（Pascal VOC，Willow Object和Spair-71K）上进行评估，并且在所有基准上表现出所有先前的最先进。
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2021-02-18
组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。
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在许多领域，包括计算机视觉和模式识别的许多领域，图形匹配（GM）一直是一个基础。尽管最近取得了令人印象深刻的进展，但现有的深入GM方法通常在处理这两个图中的异常值方面都有困难，这在实践中无处不在。我们提出了基于加权图匹配的基于深的增强学习（RL）方法RGM，其顺序节点匹配方案自然适合选择性嵌入式匹配与异常值的策略。设计了可撤销的动作方案，以提高代理商在复杂受约束的匹配任务上的灵活性。此外，我们提出了一种二次近似技术，以在存在异常值的情况下使亲和力矩阵正常化。因此，当目标得分停止增长时，RL代理可以及时完成匹配，否则，否则会有额外的超参数，即需要常见的嵌入式数量来避免匹配异常值。在本文中，我们专注于学习最通用的GM形式的后端求解器：Lawler's QAP，其输入是亲和力矩阵。我们的方法还可以使用亲和力输入来增强其他求解器。合成和现实世界数据集的实验结果展示了其在匹配准确性和鲁棒性方面的出色性能。
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机器学习（ML）管道中的组合优化（CO）层是解决数据驱动决策任务的强大工具，但它们面临两个主要挑战。首先，CO问题的解通常是其客观参数的分段常数函数。鉴于通常使用随机梯度下降对ML管道进行训练，因此缺乏斜率信息是非常有害的。其次，标准ML损失在组合设置中不能很好地工作。越来越多的研究通过各种方法解决了这些挑战。不幸的是，缺乏维护良好的实现会减慢采用CO层的速度。在本文的基础上，我们对CO层介绍了一种概率的观点，该观点自然而然地是近似分化和结构化损失的构建。我们从文献中恢复了许多特殊情况的方法，我们也得出了新方法。基于这个统一的观点，我们提出了inferpopt.jl，一个开源的朱莉娅软件包，1）允许将任何具有线性物镜的Co Oracle转换为可区分的层，以及2）定义足够的损失以训练包含此类层的管道。我们的图书馆使用任意优化算法，并且与朱莉娅的ML生态系统完全兼容。我们使用视频游戏地图上的探索问题来证明其能力。
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This paper surveys the recent attempts, both from the machine learning and operations research communities, at leveraging machine learning to solve combinatorial optimization problems. Given the hard nature of these problems, state-of-the-art algorithms rely on handcrafted heuristics for making decisions that are otherwise too expensive to compute or mathematically not well defined. Thus, machine learning looks like a natural candidate to make such decisions in a more principled and optimized way. We advocate for pushing further the integration of machine learning and combinatorial optimization and detail a methodology to do so. A main point of the paper is seeing generic optimization problems as data points and inquiring what is the relevant distribution of problems to use for learning on a given task.
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在本文中，我们提出了一种解决网络对齐问题的新算法。它受到了Bayati等人的先前消息传递框架。[2]并包括旨在显着加快消息更新以及强制增长的修改。实验表明，我们所提出的模型优于其他最先进的求解器。最后，我们建议应用我们的方法，以解决二元困难问题。我们展示我们的解决方案提供的优于几乎所有提交的实例的参考，并概述了利用二进制程序的图形结构的重要性。
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图形匹配优化问题是计算机视觉中许多任务的重要组成部分，例如在通信中带来两个可变形对象。自然，在过去的几十年中，已经提出了广泛的适用算法。由于尚未开发出通用的标准基准，因此由于对不同的问题实例的评估和标准使结果无与伦比，因此通常很难验证其绩效主张。为了解决这些缺点，我们提出了匹配算法的比较研究。我们创建了一个统一的基准测试标准，在其中收集和分类了一组现有和公开可用的计算机视觉图形匹配问题，以通用格式。同时，我们收集和分类图形匹配算法的最流行的开源实现。它们的性能以与比较优化算法的最佳实践相符的方式进行评估。该研究旨在可再现和扩展，以作为未来的宝贵资源。我们的研究提供了三个值得注意的见解：1。）流行问题实例在少于1秒的时间内完全可以解决，因此不足以进行将来的经验评估； 2.）最受欢迎的基线方法高于最佳可用方法； 3.）尽管该问题存在NP硬度，但即使对于具有超过500个顶点的图形，也可以在几秒钟内求解来自视力应用程序的实例。
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最小的平方和群集（MSSC）或K-Means型聚类，传统上被认为是无监督的学习任务。近年来，使用背景知识来提高集群质量，促进聚类过程的可解释性已成为数学优化和机器学习研究的热门研究课题。利用数据群集中的背景信息的问题称为半监督或约束群集。在本文中，我们为半监控MSSC提供了一种新的分支和绑定算法，其中背景知识被包含为成对必须 - 链接和无法链接约束。对于较低的界限，我们解决了MSSC离散优化模型的Semidefinite编程宽松，并使用了用于加强界限的纤维平面程序。相反，通过使用整数编程工具，我们提出了将K-Means算法适应受约束的情况。这是第一次，所提出的全局优化算法有效地管理，以解决现实世界的情况，最高可达800个数据点，具有必要的必须 - 链接和无法链接约束以及通用数量的功能。这个问题大小大约比最先进的精确算法解决的实例大约四倍。
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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。
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符合使用机器学习的不断增长的趋势，帮助解决组合优化问题，一个有希望的想法是通过使用学习的策略来改善混合整数编程（MIP）分支和绑定树内的节点选择。以前使用模仿学习的工作指示通过学习自适应节点搜索顺序来获取节点选择策略的可行性。相比之下，我们的模仿学习策略仅专注于学习节点的孩子中的哪一个选择。我们介绍了一个脱机方法，用于在两个设置中学习这样的策略：一个通过致力于修剪节点的启发式;一个是从叶子精确和背溯以保证找到最佳整数解决方案的备用。前一个设置对应于困扰期间的儿童选择器，而后者则类似于潜水启发式。我们在热情和确切的设置中将策略应用于流行的开源求解器SCIP。五个MIP数据集的经验结果表明，我们的节点选择策略比文献中最先进的先例更快地导致解决方案。虽然我们在精确解决方案的时间内没有击败高度优化的SCIP状态基准节点选择器，但如果预测模型的准确性足够，我们的启发式政策比所有基线都具有始终如一的最佳最优性差距。此外，结果还表明，当应用时间限制时，我们的启发式方法发现比测试大多数问题中所有基线的更好的解决方案。我们通过表明学习的政策模仿了SCIP基线来解释结果，但没有后者早期的暴跌中止。我们的建议是，尽管对文献的清晰改进，但这种MIP儿童选择器在更广泛的方法中更好地使用MIP分支和束缚树决策。
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在确定性优化中，通常假定问题的所有参数都是固定和已知的。但是，实际上，某些参数可能是未知的先验参数，但可以从历史数据中估算。典型的预测 - 优化方法将预测和优化分为两个阶段。最近，端到端的预测到优化已成为有吸引力的替代方法。在这项工作中，我们介绍了PYEPO软件包，这是一个基于Pytorch的端到端预测，然后在Python中进行了优化的库。据我们所知，PYEPO（发音为“带有静音” n“”的“菠萝”）是线性和整数编程的第一个通用工具，具有预测的目标函数系数。它提供了两种基本算法：第一种基于Elmachtoub＆Grigas（2021）的开创性工作的凸替代损失函数，第二个基于Vlastelica等人的可区分黑盒求解器方法。 （2019）。 PYEPO提供了一个简单的接口，用于定义新的优化问题，最先进的预测 - 优化训练算法，自定义神经网络体系结构的使用以及端到端方法与端到端方法与与端到端方法的比较两阶段的方法。 PYEPO使我们能够进行一系列全面的实验，以比较沿轴上的多种端到端和两阶段方法，例如预测准确性，决策质量和运行时间，例如最短路径，多个背包和旅行等问题销售人员问题。我们讨论了这些实验中的一些经验见解，这些见解可以指导未来的研究。 PYEPO及其文档可在https://github.com/khalil-research/pyepo上找到。
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Many challenges from natural world can be formulated as a graph matching problem. Previous deep learning-based methods mainly consider a full two-graph matching setting. In this work, we study the more general partial matching problem with multi-graph cycle consistency guarantees. Building on a recent progress in deep learning on graphs, we propose a novel data-driven method (URL) for partial multi-graph matching, which uses an object-to-universe formulation and learns latent representations of abstract universe points. The proposed approach advances the state of the art in semantic keypoint matching problem, evaluated on Pascal VOC, CUB, and Willow datasets. Moreover, the set of controlled experiments on a synthetic graph matching dataset demonstrates the scalability of our method to graphs with large number of nodes and its robustness to high partiality.
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通过边界估计可以显着简化求解约束优化问题（COP），即提供成本函数的紧密边界。通过使用由已知边界的数据组成的数据以及COMPS提取的特征来馈送监督机器学习（ML）模型，可以训练模型以估计新COP实例的边界。在本文中，我们首先概述了来自问题实例的约束编程（CP）的ML的现有知识体系。其次，我们介绍了应用于支持CP解算器的工具的边界估计框架。在该框架内，讨论并评估了不同的ML模型，并评估其对边界估计的适用性，并避免避免求解器找到最佳解决方案的不可行估计的对策。第三，我们在七个警察中提出了一种实验研究，与不同的CP溶剂。我们的结果表明，可以仅限于这些警察的近似最佳边界。这些估计的边界将客观域大小减少60-88％，可以帮助求解器在搜索期间提前找到近乎最佳解决方案。
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2021-12-31
在本文中，我们解决了在二进制形式中的两个程序的函数之间找到了对应或匹配的问题，这是二进制不同的最常见任务之一。我们将此问题的新配方作为图表编辑问题的特定实例通过程序的呼叫图。在该配方中，关于函数内容和呼叫图相似度同时评估映射的质量。我们表明该配方相当于网络对齐问题。基于MAX-Product信念传播，我们提出了解决这个问题的解决策略。最后，我们实施了我们的方法的原型，称为QBindiff，并提出了一个广泛的评估，表明我们的方法优于艺术的态度而不是工具。
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最近已扩展了最小方形聚类（MSSC）或K-均值类型聚类的最小总和，以利用每个群集的基数的先验知识。这种知识用于提高性能以及解决方案质量。在本文中，我们提出了一种基于分支和切割技术的精确方法，以解决基数受限的MSSC。对于下边界的例程，我们使用Rujeerapaiboon等人最近提出的半决赛编程（SDP）放松。 [Siam J. Optim。 29（2），1211-1239，（2019）]。但是，这种放松只能用于小型实例中的分支和切割方法。因此，我们得出了一种新的SDP松弛，该松弛随着实例大小和簇的数量更好。在这两种情况下，我们都通过添加多面体切割来增强结合。从量身定制的分支策略中受益，该策略会实施成对的约束，我们减少了儿童节点中出现的问题的复杂性。相反，对于上限，我们提出了一个本地搜索过程，该过程利用在每个节点上求解的SDP松弛的解。计算结果表明，所提出的算法在全球范围内首次求解了大小的现实实例，比通过最新精确方法求解的算法大10倍。
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越来越多的机器学习方法用于解决旅行推销员问题。但是，这些方法通常需要解决训练或使用需要大量调整的复杂强化学习方法的实例。为了避免这些问题，我们引入了一种新颖的无监督学习方法。我们使用针对TSP的整数线性程序的放松来构建不需要正确实例标签的损耗函数。随着离散化的可变，其最小值与最佳或近乎最佳的解决方案一致。此外，此损耗函数是可区分的，因此可以直接用于训练神经网络。我们将损失函数与图形神经网络和欧几里得和非对称TSP的设计受控实验一起使用。我们的方法优于监督学习不需要大型标记数据集的优势。此外，我们的方法的性能超过了不对称TSP的强化学习，并且与欧几里得实例的强化学习相当。与增强学习相比，我们的方法也更稳定，更容易训练。
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近年来，由通过图表神经网络（GNN）模型的学习鉴别表现来源，深图形匹配方法在匹配语义特征的任务中取得了很大的进展。然而，这些方法通常依赖于启发式生成的图形模式，这可能引入不可靠的关系来损害匹配性能。在本文中，我们提出了一个名为Glam的联合\ EMPH {图学习和匹配}网络，以探索用于升压图形匹配的可靠图形结构。 Glam采用纯粹的关注框架，用于图形学习和图形匹配。具体而言，它采用两种类型的注意机制，自我关注和横向于任务。自我关注发现功能之间的关系，并通过学习结构进一步更新功能表示;并且横向计算要与特征重建匹配的两个特征集之间的横谱图相关性。此外，最终匹配解决方案直接来自横向层的输出，而不采用特定的匹配决策模块。所提出的方法是在三个流行的视觉匹配基准（Pascal VOC，Willow Object和Spair-71K）上进行评估，并且在以前的最先进的图表匹配方法中通过所有基准测试的重要利润率。此外，我们的模型学习的图形模式被验证，通过用学习的图形结构替换其手工制作的图形结构，能够显着增强先前的深度图匹配方法。
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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。
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近年来，基于Weisfeiler-Leman算法的算法和神经架构，是一个众所周知的Graph同构问题的启发式问题，它成为具有图形和关系数据的机器学习的强大工具。在这里，我们全面概述了机器学习设置中的算法的使用，专注于监督的制度。我们讨论了理论背景，展示了如何将其用于监督的图形和节点表示学习，讨论最近的扩展，并概述算法的连接（置换 - ）方面的神经结构。此外，我们概述了当前的应用和未来方向，以刺激进一步的研究。
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