Polyhedral Newton-min algorithms for complementarity problems - The full report
Algorithmes de Newton-min polyédriques pour les problèmes de complémentarité - Le rapport complet
Résumé
The semismooth Newton method is a very efficient approach for computing a zero of a large class of nonsmooth equations. When the initial iterate is sufficiently close to a regular zero and the function is strongly semismooth, the generated sequence converges quadratically to that zero, while the iteration only requires to solve a linear system.
If the first iterate is far away from a zero, however, it is difficult to force its convergence using linesearch or trust regions because a semismooth Newton direction may not be a descent direction of the associated least-square merit function, unlike when the function is differentiable. We explore this question in the particular case of a nonsmooth equation reformulation of the nonlinear complementarity problem, using the minimum function. We propose a globally convergent algorithm using a modification of a semismooth Newton direction that makes it a descent direction of the least-square function. Instead of requiring that the direction satisfies a linear system, it must be a feasible point of a convex polyhedron; hence, it can be computed in polynomial time. This polyhedron is defined by the often very few inequalities, obtained by linearizing pairs of functions that have close negative values at the current iterate; hence, somehow, the algorithm feels the proximity of a "negative kink" of the minimum function and acts accordingly.
In order to avoid as often as possible the extra cost of having to find a feasible point of a polyhedron, a hybrid algorithm is also proposed, in which the Newton-min direction is accepted if a sufficient-descent-like criterion is satisfied, which is often the case in practice. Global and fast convergence to regular solutions is proved. Promising numerical experiments on a few linear complementarity problems are reported, using an implementation of the hybrid algorithm in Matlab.
L'algorithme de Newton semi-lisse est très efficace pour calculer un zéro d'une large classe d'équations non lisses. Lorsque le premier itéré est suffisamment proche d'un zéro régulier et si la fonction est fortement semi-lisse, la suite générée converge quadratiquement vers ce zéro, alors que l'itération ne requière que la résolution d'un système linéaire.
Cependant, si le premier itéré est éloigné d'un zéro, il est difficile de forcer sa convergence par recherche linéaire ou régions de confiance, parce que la direction de Newton semi-lisse n'est pas nécessairement une direction de descente de la fonction de moindres-carrés associée, contrairement au cas où la fonction à annuler est différentiable. Nous explorons cette question dans le cas particulier d'une reformulation par équation non lisse du problème de complémentarité non linéaire, en utilisant la fonction minimum. Nous proposons un algorithme globalement convergent, utilisant une direction de Newton semi-lisse modifiée, qui est de descente pour la fonction de moindres-carrés. Au lieu de requérir la satisfaction d'un système linéaire, cette direction doit appartenir à un polyèdre convexe, ce qui peut se calculer en temps polynomial. Ce polyèdre est défini par souvent très peu d'inégalités, obtenues en linéarisant des couples de fonctions qui ont des valeurs négatives proches à l'itéré courant; donc, d'une certaine manière, l'algorithme est capable d'estimer la proximité des "plis négatifs" de la fonction minimum et d'agir en conséquence.
De manière à éviter aussi souvent que possible le coût supplémentaire lié au calcul d'un point admissible de polyèdre, un algorithme hybride est également proposé, dans lequel la direction de Newton-min est acceptée si un critère de décroissance suffisante est vérifié, ce qui est souvent le cas en pratique. La convergence globale et rapide vers des solutions régulières est démontrée. Des tests numériques sur quelques problèmes de complémentarité linéaire sont décrits; ceux-ci utilisent une implémentation en Matlab de l'algorithme de Newton-min hybride.
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