A key question in many low-rank problems throughout optimization, machine learning, and statistics is to characterize the convex hulls of simple low-rank sets and judiciously apply these convex hulls to obtain strong yet computationally tractable convex relaxations. We invoke the matrix perspective function - the matrix analog of the perspective function-and characterize explicitly the convex hull of epigraphs of convex quadratic, matrix exponential, and matrix power functions under low-rank constraints. Further, we exploit these characterizations to develop strong relaxations for a variety of low-rank problems including reduced rank regression, non-negative matrix factorization, and factor analysis. We establish that these relaxations can be modeled via semidefinite and matrix power cone constraints, and thus optimized over tractably. The proposed approach parallels and generalizes the perspective reformulation technique in mixed-integer optimization, and leads to new relaxations for a broad class of problems.


翻译:在优化、机器学习和统计过程中,许多低层次问题的一个关键问题是,如何确定简单低级机组的圆柱体特征,并明智地运用这些圆柱体以获得强大而又可计算可移动的松式松动。我们援引矩阵视角功能——透视功能的矩阵模拟,并在低级制约下明确描述锥形二次曲线、矩阵指数和矩阵功率功能的螺壳。此外,我们利用这些特征为各种低级问题,包括低级回归、非负式矩阵要素化和要素分析,制定强有力的放松措施。我们确定,这些放松可以通过半定型和矩阵功率锥体制约进行模拟,从而实现最佳化。拟议方法平行并概括了混合英格优化中的观点重组技术,并导致对一系列广泛问题进行新的放松。

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