Ottimizzazione

A.A. 2014-2015



Benvenuto alla pagina del corso di Ottimizzazione. Il corso è destinato agli studenti del primo anno dei Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale, Ingegneria Informatica e Ingegneria dell'Automazione.

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Per ogni richiesta o dubbio scrivi a: veronica.piccialli@uniroma2.it .


Bacheca

Qui sono riportati gli avvisi e le informazioni più urgenti.


Orario delle lezioni

Semestre: I


Orari:

  1. lunedì ore 14:00-15:45 in Aula C2 (Nuovo Complesso della didattica);
  2. martedì ore 9:30-11:15 in Aula C2 (Nuovo Complesso della didattica);
  3. giovedì ore 11:30-13:15 in Aula C2 (Nuovo Complesso della didattica);
  4. venerdì ore 11:30-13:15 in Aula C2 (Nuovo Complesso della didattica);

Ricevimento

lunedì ore 10:30 - 11:30 (stanza D2-10, Edifici Ingegneria dell'Informazione.) Per il ricevimento è necessario prenotarsi inviando un mail all'indirizzo veronica.piccialli@uniroma2.it


Obiettivi e Prerequisiti del corso


Il corso vale 12 crediti.

Obiettivi. L'obiettivo del corso è quello di introdurre all'ottimizzazione non vincolata e vincolata e alle disequazioni variazionali con attenzione alle applicazioni nel campo dell'addestramento di reti neurali e SVM (Support Vector Machine) e alla teoria dei giochi.

Prerequisiti. è raccomandabile aver seguito i moduli di Analisi Matematica 1 e 2, di Geometria 1, e di Ricerca Operativa.


Programma del corso


Introduzione all'ottimizzazione: approccio modellistico

Problemi di ottimizzazione: classificazione

Problemi di Programmazione Matematica: condizioni di esistenza della soluzione (capitolo 1 del libro di testo escluso Paragrafi 1.5.3, 1.5.5 e 1.5.6).

Ottimizzazione non vincolata: condizioni di ottimo (Capitolo 2 escluso dimostrazioni delle Proposizioni 2.6 e 2.7 ), algoritmi di soluzione: condizioni di convergenza globale (Capitolo 3 solo 3.1, 3.3 fino a pagina 65 inclusa, 3.4 fino a pagina 70 inclusa (solo Q convergenza) e 3.5), Convergenza di metodi con ricerche unidimensionali (Capitolo 4 fino a pagina 80), Ricerca unidimensionale (Capitolo 5 fino a pagina 99 inclusa. Dimostrazione della Proposizione 5.2 solo per la lode). Metodo del gradiente(Capitolo 6 fino a pagina 161 escluse le dimostrazioni delle Proposizioni 6.2, 6.3,6.5, 6.6). Metodo di Newton (Capitolo 7 : 7.1, 7.2 esclusa dimostrazione delle Proposizioni 7.1 e 7.2, 7.4.1).

Ottimizzazione non vincolata: addestramento di reti neurali (vedere le slides delle lezioni).

Ottimizzazione vincolata: Ottimizzazione vincolata: condizioni di ottimo e algoritmi di soluzione (Capitolo 17: 17.1, 17.2, 17.3 (esclusa la dimostrazione della 17 Proposizione.13), 17.4, 17.5). Condizioni di ottimo analitiche: condizioni di Fritz John, qualificazione dei vincoli (solo indipendenza lineare gradienti vincoli di eguaglianza e vincoli attivi) (Appendice D: D.1 esclusa dimostrazione Teorema D.1, D.2 solo (a) e Teorema D.2, D.3, D.4, D.5.2, D.5.3).

Duale di Wolfe e SVM (dispense del prof. Sciandrone: tutto tranne dimostrazione del Teorema 1, Lemma 1, dimostrazione del Lemma 2, dimostrazione della Proposizione 1, dimostrazione della Proposizione 2, dimostrazione di Proposizione 5 e Proposizione 6, paragrafo 5, dimostrazioni delle Proposizioni 7, 8, 9, 10 e 11, Appendice A).

Disequazioni Variazionali: dalle dispense del Prof. Facchinei i capitoli: 1.1-1.2-1.3-1.4- 1.5 tranne paragrafo 1.3.2, Proposizione 1.5.8, dimostrazione di Proposizione 1.5.12, dimostrazione 1.5.13- 1.6 tranne seconda parte dimostrazioni di 1.6.2, 1.6.3 (dimostrare solo che e'una funzione di complementarita'), tranne dimostrazioni di Teoremi 1.6.4, 1.6.5, 1.6.8-1.7 fino a pagina 60 esclusa dimostrazione di Teorema 1.7.5 e l'algoritmo di proiezione sull'iperpiano.


Testo adottato e altro materiale

  1. Luigi Grippo, Marco Sciandrone, Metodi di Ottimizzazione Non Vincolata, Springer, Unitext 2011. Errata Corrige
  2. Francisco Facchinei, Giochi ed Equilibri.
  3. Marco Sciandrone, Support Vector Machines. Errata Corrige
  4. Luigi Grippo, Marco Sciandrone, Metodi di ottimizzazione per le reti neurali.
  5. I seguenti testi sono disponibili presso il mio ufficio:
    a. Olvi L. Mangasarian, Nonlinear Programming, SIAM Classics in Applied Mathematics.
    b. Jorge Nocedal, Stephen J. Wright, Numerical Optimization, Springer.
    c. Dimitri P. Bertsekas, Convex Analysis and Optimization, Athena Scientific.
    d. Dimitri P. Bertsekas, Nonlinear Programming, Athena Scientific.
    e. J.E. Dennis, Robert B. Schnabel, Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations, SIAM Classics in Applied Mathematics.
    f. Francisco Facchinei, Jong-Shi Pang, Finite-Dimentional Variational Inequalities and Complementarity Problems Volume I and II, Springer.


Testi d'esame

  1. 5 Febbraio 2015 testo
  2. 20 Febbraio 2015 testo
  3. 1 Luglio 2015 testo
  4. 13 Luglio 2015 testo
  5. 1 Settembre 2015 testo
  6. 21 Settembre 2015 testo

  7. Modalità d'esame


    Date d'esame



    Link utili

    Questi link contengono dispense, esercizi, software freeware, curiosità relativi al mondo della ricerca operativa.



    Agenda del corso

    1. lunedì 29/09/14.

    Introduzione al corso di Ottimizzazione: esempi di problemi di decisione (Slide della lezione).

    2. martedì 30/09/14.

    Approccio modellistico ed esempi. Definizioni di punto di minimo locale e punto di minimo globale.

    3. giovedì 2/10/14.

    Caso convesso: definizioni di insieme e funzione convessi. Proposizione 1.1 del libro di testo. Convessità e differenziabilità. Criteri per verificare se una matrice è definita (criterio di Sylvester) o semidefinita positiva (criterio dei minori principali). Esempio di funzioni convesse. Esercizi.

    4. venerdì 3/10/14.

    Condizioni sufficienti di esistenza: teorema di Weierstrass (senza dimostrazione). Insiemi di livello inferiori di una funzione, coercività. Esempi di funzioni coercive. Condizioni sufficienti di esistenza basate sulla coercività della funzione obiettivo. Esempi.

    5. lunedì 6/10/14.

    Prima lezione su AMPL: introduzione al linguaggio ed esempio di file .mod e .dat.

    6. martedì 7/10/14.

    Condizioni di ottimalità per ottimizzazione non vincolata. Esempi di funzioni coercive e soluzione grafica di problemi di ottimizzazione

    7. giovedì 9/10/14.

    Condizioni necessarie del primo e secondo ordine (con dimostrazione). Condizioni sufficienti (senza dimostrazione). Esempi.

    8. venerdì 10/10/14.

    Caso convesso: condizioni di ottimalità globale. Caso particolare: funzione quadratica. Esempi.

    9. lunedì 13/10/14.

    AMPL: esempi di dichiarazioni di parametri a una o più dimensione. Modello di programmazione lineare.

    10. martedì 14/10/14.

    Introduzione agli algoritmi. Struttura e convergenza. Esempi di sequenze non convergenti a punti stazionari.

    11. giovedì 16/10/14.

    Rapidità di convergenza. Convergenza di metodi con ricerche unidimensionali: Proposizione 4.1 con dimostrazione.

    12. venerdì 17/10/14.

    Condizione d'angolo ed esempi di direzioni che la soddisfano. Esempi. Linesearch esatta. Caso quadratico strettamente convesso. Esempi.

    13. lunedì 20/10/14.

    AMPL: esempi e utilizzo dell'insieme di numeri naturali.

    14. martedì 21/10/14.

    Ricerca di linea inesatta: concetti generali. Ricerca di linea di Armijo: finitezza e proprietà di convergenza.

    15. giovedì 23/10/14.

    Armijo nel caso quadratico: relazioni con ricerca di linea esatta. Esempi.

    12. venerdì 24/10/14.

    Metodo del gradiente. Convergenza. Esempi.

    13. lunedì 27/10/14.

    AMPL: esempio di script. Comandi di lettura e scrittura da/su file.

    14. martedì 28/10/14.

    lezione cancellata

    15. giovedì 30/10/14.

    Metodo di Newton. Convergenza locale. Esempi. Modifiche globalmente convergenti del metodo di Newton.

    16. venerdì 31/10/14.

    Panoramica sull'ottimizzazione non vincolata (lezione tenuta dal prof. Sciandrone).

    17. lunedì 3/11/14.

    Script AMPL: algoritmo monotonic basin hopping per cluster di Lennard Jones. Prima parte.

    18. martedì 4/11/14.

    Script AMPL: algoritmo monotonic basin hopping per cluster di Lennard Jones. Seconda parte.

    19. giovedì 6/11/14.

    Introduzione alle reti neurali. Problemi di data mining: classificazione supervisionata e non supervisionata, regressione. Esempi. Concetti base per le reti neurali. Neurone formale. Slide della lezione

    20. venerdì 7/11/14.

    Perceptron e suo addestramento. Reti multistrato: capacità di approssimazione. Scelta dell'architettura: stabilizzazione strutturale e tecniche di regolarizzazione. Early stopping. Addestramento batch e online.

    21. martedì 11/11/14.

    Esercitazione svolta dall' Ing. Marco Senatore

    22. giovedì 13/11/14.

    Esercitazione svolta dall' Ing. Marco Senatore

    23. lunedì 17/11/14.

    Funzioni di Base Radiali. Reti RBF regolarizzate e reti RBF generalizzate. Addestramento tramite tecniche di decomposizione: scelta non supervisionata dei centri e supervisionata dei pesi o scelta supervisionata di pesi e centri

    24. martedì 18/11/14.

    Introduzione all'ottimizzazione vincolata. Condizioni necessarie di Fritz John. Regolarità dei vincoli: indipendenza lineare dei gradienti dei vincoli di uguaglianza e dei vincoli attivi.

    25. giovedì 20/11/14.

    Condizioni di KKT. Caso convesso. Esempi.

    26. venerdì 21/11/14.

    Condizioni di KKT per problemi strutturati: vincoli di non negatività, vincoli di box, vincoli lineari, programmazione quadratica, programmazione lineare. Esempi.

    27. lunedì 24/11/14.

    Condizioni di ottimo per problemi con insieme convesso. Direzioni ammissibili, condizioni necessarie di ottimo. Esempi.

    28. martedì 25/11/14.

    Esempi di condizioni per problemi con vincoli strutturati: ortante non negativo e simplesso. Proiezione su un insieme convesso: proprietà ed esempi. Proiezione sull'ortante non negativo e su vincoli di box. Condizione necessaria basata sulla proiezione. Esempi.

    29. giovedì 27/11/14.

    Linesearch di Armijo per problemi con insieme ammissibile convesso. Metodo di Frank Wolfe e dimostrazione di convergenza. Esempi.

    30. venerdì 28/11/14.

    Metodo del gradiente proiettato e dimostrazione di convergenza. Esempi. Cenni sull'ottimizzazione vincolata per problemi generali.

    31. lunedì 1/12/14.

    Risultato di Vapnik. Minimizzazione del rischio strutturale: SVM e reti neurali. SVM lineari: iperpiano con gap di tolleranza ottimo.

    32. martedì 2/12/14.

    Iperpiano ottimo nel caso di insiemi linearmente separabili: intuizione.

    33. giovedì 4/12/14.

    Definizione del problema: duale di Wolfe nel caso generale.

    34. venerdì 5/12/14.

    Duale di Wolfe nel caso quadratico. Esempi. Caratterizzazione della distanza da un iperpiano.

    35. lunedì 8/12/14.

    Applicazione del duale di Wolfe al problema di SVM lineari. Calcolo dell'iperpiano ottimo.'

    36. martedì 9/12/14.

    Caso non linearmente separabile. Duale di Wolfe e proprietà.

    37. giovedì 11/12/14.

    Caso non lineare. Funzioni kernel.

    38. venerdì 12/12/14.

    Condizioni di ottimo per il problema quadratico risolto da SVMlight.

    39. lunedì 15/12/14.

    WEKA: istallazione e introduzione. Explorer ed esempi di problemi di classificazione.

    40. martedì 16/12/14.

    WEKA: ambiente Experimenter ed esempi di utilizzo avanzato.

    41. giovedì 18/12/14.

    SVM light: scelta del working set e criterio di arresto. Esercizi.

    42. venerdì 19/12/14.

    WEKA: strumenti avanzati e problemi di regressione.

    43. giovedì 08/01/15.

    Lezione su algoritmi di ottimizzazione globale per il progetto AMPL.

    44. venerdì 09/01/15.

    Introduzione alle disequazioni variazionali. Problemi di complementarità ed equivalenza con le VI. Problemi di complementarità mista.

    45. lunedì 12/01/15.

    Esempi di problemi di complementarità e complementarità mista. Condizioni di KKT per VI.

    46. martedì 13/01/15.

    Esercizi sulle condizioni di KKT per VI. Riformulazione come problema di punto fisso e teorema di esistenza. Esempi.

    47. giovedì 15/01/15.

    Giochi di Nash: equivalenza con VI e teorema di esistenza. Gioco di Nash- Cournot. Esempi.

    48. venerdì 16/01/15.

    Esercizi su giochi di Nash. Cenni su giochi di Nash generalizzati. Esempio di applicazione.

    49. lunedì 19/01/15.

    Funzioni monotone, strettamente monotone e fortemente monotone. Caratterizzazione degli insiemi di soluzioni per VI con funzioni monotone, strettamente monotone e fortemente monotone. Esempi.

    50. martedì 20/01/15.

    Funzioni di complementarità: funzione minimo, classe di mangasarian, funzione di Fischer-Burmeister. Rifromulazione di un NCP come sistema di equazioni e proprietà. Cenni sulla riformulazione di una VI come sistema di equazioni.

    51. giovedì 22/01/15.

    Teorema di Banach. Algoritmo di proiezione di base e proprietà di convergenza.

    52. venerdì 23/01/15.

    Esercizi su VI e giochi di Nash.

    53. lunedì 26/01/15.

    Esercizi di riepilogo.

    54. martedì 27/01/15.

    Simulazione di esame e correzione (il testo con soluzione si trova qui).

    55. giovedì 29/01/15.

    Ricevimento collettivo.