The problem of approximating the Pareto front of a multiobjective optimization problem can be reformulated as the problem of finding a set that maximizes the hypervolume indicator. This paper establishes the analytical expression of the Hessian matrix of the mapping from a (fixed size) collection of $n$ points in the $d$-dimensional decision space (or $m$ dimensional objective space) to the scalar hypervolume indicator value. To define the Hessian matrix, the input set is vectorized, and the matrix is derived by analytical differentiation of the mapping from a vectorized set to the hypervolume indicator. The Hessian matrix plays a crucial role in second-order methods, such as the Newton-Raphson optimization method, and it can be used for the verification of local optimal sets. So far, the full analytical expression was only established and analyzed for the relatively simple bi-objective case. This paper will derive the full expression for arbitrary dimensions ($m\geq2$ objective functions). For the practically important three-dimensional case, we also provide an asymptotically efficient algorithm with time complexity in $O(n\log n)$ for the exact computation of the Hessian Matrix' non-zero entries. We establish a sharp bound of $12m-6$ for the number of non-zero entries. Also, for the general $m$-dimensional case, a compact recursive analytical expression is established, and its algorithmic implementation is discussed. Also, for the general case, some sparsity results can be established; these results are implied by the recursive expression. To validate and illustrate the analytically derived algorithms and results, we provide a few numerical examples using Python and Mathematica implementations. Open-source implementations of the algorithms and testing data are made available as a supplement to this paper.


翻译:类似多目标优化问题的 Pareto 前端问题可能会被重新定位, 原因是要找到一个能够使超容量指标最大化的矢量数据集。 本文从一个 $d- 维决定空间( 或者 $m$ 维目标空间) 中收集 $n 点 来( 固定大小) 到 标量超大指示值 。 要定义 Hessian 矩阵, 输入集是矢量化的, 并且算法是通过对映射从一个矢量化集到超容量指标的的分析分解得出的。 Hessian 矩阵在二阶方法( 如 牛顿- Raphson 优化方法) 中将映射赫斯矩阵矩阵矩阵的分析性表达方式从分析表达式中得出一个至关重要的表达式。 完整分析表达式只为相对简单的双向双向显示。 本文将得出任意的纸质尺寸 $mge2 客观功能。 对于实际的三维案例, 我们还提供了一个具有直观性高效率的表达式表达式表达式, 并且用 AS- hillal- exalalalal ex ex exalalal exal exal exal exal exal exal exal exal 和我们提供了一些用于 Exal- exal exal- exal- exal- exal export exports a 。

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黑塞矩阵(Hessian Matrix),又译作海森矩阵、海瑟矩阵、海塞矩阵等,是一个多元函数的二阶偏导数构成的方阵,描述了函数的局部曲率。黑塞矩阵最早于19世纪由德国数学家Ludwig Otto Hesse提出,并以其名字命名。黑塞矩阵常用于牛顿法解决优化问题。
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