This paper settles an open and challenging question pertaining to the design of simple high-order regularization methods for solving smooth and monotone variational inequalities (VIs). A VI involves finding $x^\star \in \mathcal{X}$ such that $\langle F(x), x - x^\star\rangle \geq 0$ for all $x \in \mathcal{X}$ and we consider the setting where $F: \mathbb{R}^d \mapsto \mathbb{R}^d$ is smooth with up to $(p-1)^{th}$-order derivatives. For $p = 2$,~\citet{Nesterov-2006-Constrained} extended the cubic regularized Newton's method to VIs with a global rate of $O(\epsilon^{-1})$.~\citet{Monteiro-2012-Iteration} proposed another second-order method which achieved an improved rate of $O(\epsilon^{-2/3}\log(1/\epsilon))$, but this method required a nontrivial binary search procedure as an inner loop. High-order methods based on similar binary search procedures have been further developed and shown to achieve a rate of $O(\epsilon^{-2/(p+1)}\log(1/\epsilon))$. However, such search procedure can be computationally prohibitive in practice and the problem of finding a simple high-order regularization methods remains as an open and challenging question in optimization theory. We propose a $p^{th}$-order method that does \textit{not} require any binary search procedure and prove that it can converge to a weak solution at a global rate of $O(\epsilon^{-2/(p+1)})$. A lower bound of $\Omega(\epsilon^{-2/(p+1)})$ is also established to show that our method is optimal in the monotone setting. A version with restarting attains a global linear and local superlinear convergence rate for smooth and strongly monotone VIs. Moreover, our method can achieve a global rate of $O(\epsilon^{-2/p})$ for solving smooth and non-monotone VIs satisfying the Minty condition; moreover, the restarted version again attains a global linear and local superlinear convergence rate if the strong Minty condition holds.


翻译:本文解决了一个与设计解决平滑和单质变异的简单高阶常规化方法(VIs) 有关的开放和具有挑战性的问题。 一个 VI 涉及找到 $x_star\ star\ in\ mathcal{X} $, 美元xx, x - x\star\rangle\ geq 0美元, 美元xx \ mathcal{x} 美元。 我们考虑一个设置, 美元:\\ mathb{R_ d\ mathb{ R ⁇ d$ 平滑到 $( p-1) 美元 和单质变异的 美元 。 美元=xxxxxxxx, xxxxxxstars\ ranglegleglex 美元, 美元xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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