We present a novel algorithm that allows us to gain detailed insight into the effects of sparsity in linear and nonlinear optimization, which is of great importance in many scientific areas such as image and signal processing, medical imaging, compressed sensing, and machine learning (e.g., for the training of neural networks). Sparsity is an important feature to ensure robustness against noisy data, but also to find models that are interpretable and easy to analyze due to the small number of relevant terms. It is common practice to enforce sparsity by adding the $\ell_1$-norm as a weighted penalty term. In order to gain a better understanding and to allow for an informed model selection, we directly solve the corresponding multiobjective optimization problem (MOP) that arises when we minimize the main objective and the $\ell_1$-norm simultaneously. As this MOP is in general non-convex for nonlinear objectives, the weighting method will fail to provide all optimal compromises. To avoid this issue, we present a continuation method which is specifically tailored to MOPs with two objective functions one of which is the $\ell_1$-norm. Our method can be seen as a generalization of well-known homotopy methods for linear regression problems to the nonlinear case. Several numerical examples - including neural network training - demonstrate our theoretical findings and the additional insight that can be gained by this multiobjective approach.


翻译:我们提出了一个新的算法,使我们能够详细了解线性和非线性优化中的宽度效应,这在许多科学领域非常重要,如图像和信号处理、医疗成像、压缩遥感和机器学习(例如神经网络培训),这是确保对噪音数据的稳健性的一个重要特征,但也能够找到由于相关术语数量少而可解释和易于分析的模型。通过添加$_ell_1美元-诺尔姆作为加权处罚术语来强制实施宽度的常见做法。为了获得更好的理解并允许知情的模型选择,我们直接解决当我们最大限度地减少主要目标和美元_ell_1美元-诺尔姆同时产生的相应的多目标优化问题。由于《蒙特利尔议定书》一般是非线性目标的非科,因此权重方法无法提供所有最佳的妥协。为避免这一问题,我们提出了一种专门针对《议定书》的两个目标功能的延续方法,其中的两个目标功能是:美元_ell_1美元-线性模型。我们可以将这种直径直线性网络作为非直径直径直径的方法来展示。我们可以将这种方法视为一种普通的直观性直径直径直图式的方法。

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