We consider the problem of maximizing the $\ell_1$ norm of a linear map over the sphere, which arises in various machine learning applications such as orthogonal dictionary learning (ODL) and robust subspace recovery (RSR). The problem is numerically challenging due to its nonsmooth objective and nonconvex constraint, and its algorithmic aspects have not been well explored. In this paper, we show how the manifold structure of the sphere can be exploited to design fast algorithms for tackling this problem. Specifically, our contribution is threefold. First, we present a manifold proximal point algorithm (ManPPA) for the problem and show that it converges at a sublinear rate. Furthermore, we show that ManPPA can achieve a quadratic convergence rate when applied to the ODL and RSR problems. Second, we propose a stochastic variant of ManPPA called StManPPA, which is well suited for large-scale computation, and establish its sublinear convergence rate. Both ManPPA and StManPPA have provably faster convergence rates than existing subgradient-type methods. Third, using ManPPA as a building block, we propose a new approach to solving a matrix analog of the problem, in which the sphere is replaced by the Stiefel manifold. The results from our extensive numerical experiments on the ODL and RSR problems demonstrate the efficiency and efficacy of our proposed methods.


翻译:我们考虑的是将线性地图的$ell_1美元标准最大化到这个范围的问题,这个问题出现在各种机器学习应用中,例如正方字典学习和强力子空间恢复(RSR),这个问题在数字上具有挑战性,因为其非偏向目标和非对等限制,其算法方面没有很好探讨。我们在本文件中说明了如何利用这个领域的多重结构来设计解决这一问题的快速算法。具体地说,我们的贡献是三倍。首先,我们为问题提出了一个多重准点算法(ManPPA),并表明它以亚线速率趋同。此外,我们表明,由于ManPPA在应用ODL和RSR的问题时,可以达到四级趋同率。第二,我们提出了称为StManPPPA的随机变方变法,它非常适合大规模计算,并确定了其子线趋同率。我们ManPPA和StManPPPA都比现有的次等点算法更快的趋同率(ManPPPA),并显示它以亚基式方法取代了我们的MROPA的新型方法。

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