On Convexity
- f Polynomials over a Box
Georgina Hall Decision Sciences, INSEAD Joint work with Amir Ali Ahmadi ORFE, Princeton University
1
of Polynomials over a Box Georgina Hall Decision Sciences, INSEAD - - PowerPoint PPT Presentation
On Convexity of Polynomials over a Box Georgina Hall Decision Sciences, INSEAD Joint work with Amir Ali Ahmadi ORFE, Princeton University 1 Convexity over a box A box is a set of the form: =
Georgina Hall Decision Sciences, INSEAD Joint work with Amir Ali Ahmadi ORFE, Princeton University
1
๐ถ = ๐ฆ โ โ๐ ๐๐ โค ๐ฆ๐ โค ๐ฃ๐, ๐ = 1, โฆ , ๐} where ๐1, โฆ , ๐๐, ๐ฃ1, โฆ , ๐ฃ๐ โ โ with ๐๐ โค ๐ฃ๐.
๐ ๐๐ฆ + 1 โ ๐ ๐ง โค ๐๐ ๐ฆ + 1 โ ๐ ๐(๐ง) for any ๐ฆ, ๐ง โ ๐ถ and ๐ โ [0,1].
this is equivalent to ๐ผ2๐ ๐ฆ โฝ 0, โ๐ฆ โ ๐ถ.
2
Theorem [Ahmadi, Olshevsky, Parrilo, Tsitsiklis] It is strongly NP-hard to test (global) convexity of polynomials of degree 4.
3
Goal: study the complexity of testing convexity of a function over a box
Why are we interested in convexity over a box?
4
Theorem [Ahmadi, H.] It is strongly NP-hard to test convexity of polynomials of degree 3 over a box.
al.], [Grant et al.]
convexity of quadratics and computationally tractable sufficient conditions for convexity
Detecting Imposing
[Ahmadi and Jungers] [Chesi and Hung]
Question: What to do a reduction from? Idea: A cubic polynomial ๐ is convex
๐ผ2๐(๐ฆ) is a matrix with entries affine in ๐
5
Theorem [Ahmadi, H.] It is strongly NP-hard to test convexity of polynomials of degree 3 over a box. How to prove this? In general: Theorem [Nemirovski]: Let ๐(๐ฆ) be a matrix with entries affine in ๐ฆ. It is NP-hard to test whether ๐ ๐ฆ โฝ 0 for all ๐ฆ in a full-dimensional box ๐ถ.
Generic instance I
NP-hard problem Instance J of problem we are interested in Construct J from I Reduction
No!
6
Issue 1: We want to show strong NP-hardness. Nemirovskiโs result shows weak NP- hardness. Issue 2: Not every affine polynomial matrix is a valid Hessian! Example: ๐ ๐ฆ1, ๐ฆ2 = 10 2๐ฆ1 + 1 2๐ฆ1 + 1 10 . We have
๐๐11(๐ฆ) ๐๐ฆ2
โ
๐๐12(๐ฆ) ๐๐ฆ1 .
Reminder: weak vs strong NP-hardness
(numerator or denominator)
7
Strong Weak
Max(๐ฝ)โค ๐(Length(๐ฝ)) (๐ is a polynomial)
Max-Cut Sat
numbers of large magnitude (e.g., 2๐).
Partition Knapsack
Why weakly NP-hard?
8
Theorem [Nemirovski]: INTERVAL-PSDNESS Let ๐(๐ฆ) be a matrix with entries affine in ๐ฆ. It is (weakly) NP-hard to test whether ๐ ๐ฆ โฝ 0 for all ๐ฆ in a full-dimensional box ๐ถ.
PARTITION: Input: ๐ โ โ๐ such that ๐ 2 โค 0.1 Test: does there exist ๐ข โ โ1,1 ๐ such that ฯ๐ ๐๐๐ข๐ = 0? INTERVAL PSDNESS Construct: ๐ท = ๐ฝ๐ โ ๐๐๐ โ1, ๐ = ๐ โ ๐โ2 ๐ , where ๐ ๐ = smallest cd of ๐. Take: ๐ถ = โ1,1 ๐ and ๐ ๐ฆ = ๐ท ๐ฆ ๐ฆ๐ ๐ . Test: Is ๐ ๐ฆ โฝ 0 โ๐ฆ โ ๐ถ? Show: No to PARTITION โ Yes to INTERVAL PSDNESS
REDUCTION
Weakly NP-hard Operation that can make the numbers in the instance blow up Example: ๐ต = 1 โ1 1 โฎ โ1 โฑ โ1 โฑ โ1 1 but one of the entries of ๐ตโ1 is 2๐โ2!
๐1 ๐3 ๐10 ๐2 ๐4 ๐8
9
Theorem [Ahmadi, H.]: INTERVAL-PSDNESS Let ๐(๐ฆ) be a matrix with entries affine in ๐ฆ. It is strongly NP-hard to test whether ๐ ๐ฆ โฝ 0 for all ๐ฆ in a full-dimensional box ๐ถ.
MAX-CUT: Input: simple graph G=(V,E) with ๐ = ๐ and adj. matrix A, and a positive integer ๐ โค ๐2 Test: does there exist a cut in the graph of size greater or equal to ๐? INTERVAL PSDNESS Construct: ๐ฝ =
1 ๐+1 3 , ๐ท = 4๐ฝ(๐ฝ๐ + ๐ฝ๐ต)
๐ = ๐ 4๐ฝ + ๐ โ 1 โ 1 4 ๐๐๐ต๐ Take: ๐ถ = โ1,1 ๐ and ๐ ๐ฆ = ๐ท ๐ฆ ๐ฆ๐ ๐ . Test: Is ๐ ๐ฆ โฝ 0 โ๐ฆ โ ๐ถ? Show: No to MAX-CUT โ Yes to INTERVAL PSDNESS
REDUCTION
Strongly NP-hard Taylor series of 4๐ฝ ๐ฝ โ ๐ฝ๐ต โ1 truncated at the first term Scaling needed so that ๐ฝ๐ โ ๐ฝ๐ต โ1 โ ๐ฝ๐ + ๐ฝ๐ต
Preserves strong NP-hardness
In more detail: No to MAX-CUT โ Yes to INTERVAL PSDNESS
10
No cut in ๐ป of size โฅ ๐ [max
๐ฆโ โ1,1 ๐ 1 4 ฯ๐,๐ ๐ต๐๐(1 โ ๐ฆ๐๐ฆ๐)] โค ๐ โ 1
Size of largest cut in ๐ป
โ โ
[ max
๐ฆโ โ1,1 ๐ โ 1 4 ๐ฆ๐๐ต๐ฆ] โค โ 1 4 ๐๐๐ต๐ + ๐ โ 1
โ
[ max
๐ฆโ โ1,1 ๐ 1 4 ๐ฆ๐
๐ + 1 3๐ฝ๐ โ ๐ต ๐ฆ] โค
๐ ๐+1 3 4
โ
1 4 ๐๐๐ต๐ + ๐ โ 1 โ ๐
๐ฝ = ๐ + 1 3
Convex
โ
[ max
๐ฆโ[โ1,1]๐ 1 4 ๐ฆ๐ ๐ฝ๐ฝ๐ โ ๐ต ๐ฆ] โค ๐
โ
1 4 ๐ฆ๐ ๐ฝ๐ฝ๐ โ ๐ต ๐ฆ โค ๐, โ๐ฆ โ โ1,1 ๐
โ
๐ฆ๐๐ทโ1๐ฆ โค ๐ +
1 4, โ๐ฆ โ โ1,1 ๐
Approximation ๐ทโ1 โ
1 4 (๐ฝ๐ฝ โ ๐ต)
Approximation error
โ
Schur complement
๐ ๐ฆ = ๐ท ๐ฆ ๐ฆ๐ ๐ +
1 4
โฝ 0, โ๐ฆ โ โ1,1 ๐
For converse: Yes to MAX-CUT โ No to INTERVAL PSDNESS
11
There is a cut of size โฅ ๐: Let เท ๐ฆ๐ = แ 1 if node ๐ on one side of cut โ1 if node ๐ on other side of cut
โ
Similar steps to previously
โ
เท ๐ฆ๐๐ทโ1 เท ๐ฆ โฅ ๐ + 3 4 > ๐ + 1 4 โ เท ๐ฆ โ โ1,1 ๐ s.t. ๐ เท ๐ฆ
โ Corollary [Ahmadi, H.]: Let ๐ be an integer and let เท ๐๐๐, เดค ๐๐๐ be rational numbers with เท ๐๐๐ โค เดค ๐๐๐ and เท ๐๐๐ = เท ๐๐๐ and เดค ๐๐๐ = เดค ๐๐๐ for all ๐ = 1, โฆ , ๐ and ๐ = 1, โฆ , ๐. It is strongly NP-hard to test whether all symmetric matrices with entries in [เท ๐๐๐; เดค ๐๐๐] are positive semidefinite.
Proof: Reduction from INTERVAL PSDNESS
12
Theorem [Ahmadi, H.] CONV3BOX It is strongly NP-hard to test convexity of polynomials of degree 3 over a box.
INTERVAL PSDNESS Input: ๐ ๐ฆ , เท ๐ถ Test: Is ๐ ๐ฆ โฝ 0, โ๐ฆ โ เท ๐ถ? Problem: How to construct a cubic polynomial ๐ from ๐(๐ฆ)? Idea: Want ๐ผ2๐ ๐ฆ = ๐ ๐ฆ . Issue: Not all ๐(๐ฆ) are valid Hessians! Key ideas for the construction of ๐:
๐ ๐ ๐๐ผ๐ด ๐ ๐
a nonzero diagonal: add
๐ท ๐ ๐๐ผ๐ to ๐ ๐ฆ, ๐ง .
โ(๐ฆ, ๐ง) s.t. ๐ ๐ฆ = 0 but ๐ผ ๐ง is not? The matrix cannot be psd: add
๐ 2 ๐ง๐๐ง to ๐ ๐ฆ, ๐ง .
๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง = 1 2 ๐ผ(๐ง) 1 2 ๐ผ ๐ง ๐ ๐ ๐ฆ ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง = ๐ท๐ฑ๐ 1 2 ๐ผ(๐ง) 1 2 ๐ผ ๐ง ๐ ๐ ๐ฆ ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง = ๐ท๐ฑ๐ 1 2 ๐ผ(๐ง) 1 2 ๐ผ ๐ง ๐ ๐ ๐ฆ + ๐๐ฝ๐+1 โ ๐ ๐ฆ = 1 2 ๐ง๐๐ ๐ฆ ๐ง + ๐ฝ 2 ๐ฆ๐๐ฆ + ๐ 2 ๐ง๐๐ง, ๐ถ = โ1,1 2๐+1
Show NO to INTERVAL PSDNESS โ NO to CONV3BOX. This is equivalent to: Need to leverage extra structure of ๐ ๐ฆ : ๐ ๐ฆ = ๐ท ๐ฆ ๐ฆ๐ ๐ +
1 4
13
โ าง ๐ฆ โ โ1,1 ๐ s.t. ๐ าง ๐ฆ โฝ 0 โ โ เท ๐ฆ, เท ๐ง โ โ1,1 2๐+1 , ๐จ s.t. ๐จ๐๐ผ2๐ เท ๐ฆ, เท ๐ง ๐จ < 0 ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง = ๐ฝ๐ฝ๐ ๐ผ(๐ง) ๐ผ ๐ง ๐ ๐ท + ๐๐ฝ๐ ๐ฆ ๐ฆ๐ ๐ + 1 4 + ๐ ๐ผ2๐ เท ๐ฆ, เท ๐ง = ๐ฝ๐ฝ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ซ + ๐๐ฝ๐ เดฅ ๐ ๐ เดฅ ๐๐ผ ๐ + ๐ ๐ + ๐ ๐จ๐๐ผ2๐ เท ๐ฆ, เท ๐ง ๐จ = โ๐ทโ1 าง ๐ฆ 1
๐
๐ฝ๐ฝ๐ ๐ ๐ ๐ ๐ซ + ๐๐ฝ๐ เดฅ ๐ ๐ เดฅ ๐๐ผ ๐ + ๐ ๐ + ๐ โ๐ทโ1 าง ๐ฆ 1 = ๐ + 1 4 โ าง ๐ฆ๐๐ทโ1 าง ๐ฆ + ๐(1 + ๐ทโ1 าง ๐ฆ 2
2)
< ๐ as ๐ด เดฅ ๐ โฝ ๐ Appropriately scaled so that ๐จ๐๐ผ2๐ เท ๐ฆ, เท ๐ง ๐จ remains <0.
Candidates: เท ๐ฆ = าง ๐ฆ, เท ๐ง = 0, ๐จ = โ๐ทโ1 าง ๐ฆ 1 Candidates: เท ๐ = เดฅ ๐, เท ๐ = ๐, ๐จ = โ๐ทโ1 าง ๐ฆ 1 Candidates: เท ๐ฆ = าง ๐ฆ, เท ๐ง = 0, ๐ = ๐ โ๐ซโ๐เดฅ ๐ ๐
Show YES to INTERVAL PSDNESS โ YES to CONV3BOX. This is equivalent to: Butโฆ
14
๐ ๐ฆ โฝ 0 โ๐ฆ โ โ1,1 ๐ โ ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง = ๐ฝ๐ฝ๐ 1 2 ๐ผ(๐ง) 1 2 ๐ผ ๐ง ๐ ๐ ๐ฆ + ๐๐ฝ๐+1 โฝ 0, โ ๐ฆ, ๐ง โ โ1,1 2๐+1
โ
โฝ ๐ โ๐ โ โ๐, ๐ ๐ (Assumption)
๐ด ๐ + ๐ฝ๐ฑ๐+๐ โ
๐ ๐๐ท ๐ฐ ๐ ๐ผ๐ฐ ๐ โฝ 0, โ ๐ฆ, ๐ง โ โ1,1 2๐+1
๐ท chosen large enough so that โฝ ๐ โ๐ โ โ๐, ๐ ๐+๐
๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ง โฝ 0, โ ๐ฆ, ๐ง โ โ1,1 2๐+1 Schur
Completely classifies the complexity of testing convexity of a polynomial ๐ of degree ๐ over a box for any integer ๐ โฅ 1.
15
๐
๐ = 1
๐ is always convex
๐ = 2
๐ผ2๐(๐ฆ) constant
๐ = 3
Previous theorem (strongly NP-hard)
๐ = 4 and above
Strongly NP-hard
Proof sketch:
convexity over a box ๐ถ is hard
๐
๐ถ = ๐ถ ร [0,1] We have ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ฆ๐+1 = ๐ผ2๐(๐ฆ) ๐ ๐ โ 1 ๐ฆ๐+1
๐โ2
โ ๐ผ2๐ ๐ฆ, ๐ฆ๐+1 โฝ 0 on เทจ ๐ถ โ ๐ผ2๐ ๐ฆ โฝ 0 on ๐ถ
positive semidefiniteness of symmetric matrices with entries belonging to intervals.
16
Questions? Want to learn more? https://scholar.princeton.edu/ghall
17