We study optimization for data-driven decision-making when we have observations of the uncertain parameters within the optimization model together with concurrent observations of covariates. Given a new covariate observation, the goal is to choose a decision that minimizes the expected cost conditioned on this observation. We investigate three data-driven frameworks that integrate a machine learning prediction model within a stochastic programming sample average approximation (SAA) for approximating the solution to this problem. Two of the SAA frameworks are new and use out-of-sample residuals of leave-one-out prediction models for scenario generation. The frameworks we investigate are flexible and accommodate parametric, nonparametric, and semiparametric regression techniques. We derive conditions on the data generation process, the prediction model, and the stochastic program under which solutions of these data-driven SAAs are consistent and asymptotically optimal, and also derive convergence rates and finite sample guarantees. Computational experiments validate our theoretical results, demonstrate the potential advantages of our data-driven formulations over existing approaches (even when the prediction model is misspecified), and illustrate the benefits of our new data-driven formulations in the limited data regime.


翻译:当我们观测到优化模型中的不确定参数时,我们研究数据驱动决策的优化。根据新的共差观测,我们的目标是选择一个决定,尽量减少这一观测的预期成本。我们调查三个数据驱动框架,将机器学习预测模型纳入随机编程样本平均近似值(SAA),以接近这一问题的解决方案。两个SAA框架是新的,在假差一出预测模型中,对假差一出预测模型的抽样剩余部分用于情景生成。我们调查的框架是灵活的,并包含准参数、非参数和半参数回归技术。我们从数据生成过程、预测模型和随机模型中得出一些条件,在这些条件下,由数据驱动的SAA的解决方案是一致和无损最佳的,并得出趋同率和有限的样本保证。比较实验验证了我们的理论结果,显示了我们数据驱动的配方相对于现有方法的潜在优势(即使在预测模型描述错误的时候),并说明了我们数据驱动的新数据驱动制在有限数据设计中的好处。

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