我们考虑涉及大量突出点的突出指向的应用程序。通过理论和实证分析，我们开发了一种引导的直觉，以表明，当这些实例遵循某些结构时，大多数投影都位于多粒子的顶点上。为了有效地进行这些预测，我们推出了一个面向顶点的增量算法，将点投影到任何任意多托，以及给出特定算法，以迎合单位投影，并通过平面切割单位盒的多台零件。这种设置在Web级应用中特别有用，例如最佳匹配或分配问题。互联网市场（电子商务，乘车共享，食品交付，专业服务，广告等）中的几个问题可以配制为线性程序（LP），其中多种子约束需要整体优化过程中的投影步骤。我们表明，在最近的工作中，多体化投影是最昂贵的步骤，我们有效的投影算法有助于获得性能的大量改进。

本文提出了弗兰克 - 沃尔夫（FW）的新变种​​，称为$ k $ fw。标准FW遭受缓慢的收敛性：迭代通常是Zig-zag作为更新方向振荡约束集的极端点。新变种，$ k $ fw，通过在每次迭代中使用两个更强的子问题oracelles克服了这个问题。第一个是$ k $线性优化Oracle（$ k $ loo），计算$ k $最新的更新方向（而不是一个）。第二个是$ k $方向搜索（$ k $ ds），最大限度地减少由$ k $最新更新方向和之前迭代表示的约束组的目标。当问题解决方案承认稀疏表示时，奥克斯都易于计算，而且$ k $ FW会迅速收敛，以便平滑凸起目标和几个有趣的约束集：$ k $ fw实现有限$ \ frac {4l_f ^ 3d ^} { \ Gamma \ Delta ^ 2} $融合在多台和集团规范球上，以及光谱和核规范球上的线性收敛。数值实验验证了$ k $ fw的有效性，并展示了现有方法的数量级加速。

给定数据点之间的一组差异测量值，确定哪种度量表示与输入测量最“一致”或最能捕获数据相关几何特征的度量是许多机器学习算法的关键步骤。现有方法仅限于特定类型的指标或小问题大小，因为在此类问题中有大量的度量约束。在本文中，我们提供了一种活跃的集合算法，即项目和忘记，该算法使用Bregman的预测，以解决许多（可能是指数）不平等约束的度量约束问题。我们提供了\ textsc {project and Hoses}的理论分析，并证明我们的算法会收敛到全局最佳解决方案，并以指数速率渐近地渐近地衰减了当前迭代的$ L_2 $距离。我们证明，使用我们的方法，我们可以解决三种类型的度量约束问题的大型问题实例：一般体重相关聚类，度量近距离和度量学习；在每种情况下，就CPU时间和问题尺寸而言，超越了艺术方法的表现。

这项工作解决了逆线优化，其中目标是推断线性程序的未知成本向量。具体地，我们考虑数据驱动的设置，其中可用数据是对应于线性程序的不同实例的最佳解决方案的嘈杂的观察。我们介绍了一个问题的新配方，与其他现有方法相比，允许恢复较少的限制性和一般更适当的可允许成本估算。可以表明，该逆优化问题产生有限数量的解决方案，并且我们开发了一个精确的两相算法来确定所有此类解决方案。此外，我们提出了一种有效的分解算法来解决问题的大实例。该算法自然地扩展到在线学习环境，可以用于提供成本估计的快速更新，因为新数据随着时间的推移可用。对于在线设置，我们进一步开发了一种有效的自适应采样策略，指导下一个样本的选择。所提出的方法的功效在涉及两种应用，客户偏好学习和生产计划的成本估算的计算实验中进行了证明。结果表明计算和采样努力的显着减少。

该博士学位论文的中心对象是在计算机科学和统计力学领域的不同名称中以不同名称而闻名的。在计算机科学中，它被称为“最大切割问题”，这是著名的21个KARP的原始NP硬性问题之一，而物理学的相同物体称为Ising Spin Glass模型。这种丰富的结构的模型通常是减少或重新制定计算机科学，物理和工程学的现实问题。但是，准确地求解此模型（查找最大剪切或基态）可能会留下一个棘手的问题（除非$ \ textit {p} = \ textit {np} $），并且需要为每一个开发临时启发式学特定的实例家庭。离散和连续优化之间的明亮而美丽的连接之一是一种基于半限定编程的圆形方案，以最大程度地切割。此过程使我们能够找到一个近乎最佳的解决方案。此外，该方法被认为是多项式时间中最好的。在本论文的前两章中，我们研究了旨在改善舍入方案的局部非凸照。在本文的最后一章中，我们迈出了一步，并旨在控制我们想要在前几章中解决的问题的解决方案。我们在Ising模型上制定了双层优化问题，在该模型中，我们希望尽可能少地调整交互作用，以使所得ISING模型的基态满足所需的标准。大流行建模出现了这种问题。我们表明，当相互作用是非负的时，我们的双层优化是在多项式时间内使用凸编程来解决的。

由于机器学习，统计和科学的应用，多边缘最佳运输（MOT）引起了极大的兴趣。但是，在大多数应用中，MOT的成功受到缺乏有效算法的严重限制。实际上，MOT一般需要在边际K及其支撑大小n的数量中指数时间n。本文开发了一个关于“结构”在poly（n，k）时间中可溶解的一般理论。我们开发了一个统一的算法框架，用于通过表征不同算法所需的“结构”来解决poly（n，k）时间中的MOT，这是根据双重可行性甲骨文的简单变体所需的。该框架有几个好处。首先，它使我们能够证明当前是最流行的MOT算法的Sinkhorn算法比其他算法要在poly（n，k）时间中求解MOT所需的结构更严格。其次，我们的框架使得为给定的MOT问题开发poly（n，k）时间算法变得更加简单。特别是（大约）解决双重可行性Oracle是必要和足够的 - 这更适合标准算法技术。我们通过为三个通用类成本结构类别的poly（n，k）时间算法开发poly（n，k）时间算法来说明这种易用性：（1）图形结构； （2）设定优化结构； （3）低阶和稀疏结构。对于结构（1），我们恢复了Sindhorn具有poly（n，k）运行时的已知结果；此外，我们为计算精确且稀疏的解决方案提供了第一个poly（n，k）时间算法。对于结构（2） - （3），我们给出了第一个poly（n，k）时间算法，甚至用于近似计算。这三个结构一起涵盖了许多MOT的当前应用。

机器学习（ML）管道中的组合优化（CO）层是解决数据驱动决策任务的强大工具，但它们面临两个主要挑战。首先，CO问题的解通常是其客观参数的分段常数函数。鉴于通常使用随机梯度下降对ML管道进行训练，因此缺乏斜率信息是非常有害的。其次，标准ML损失在组合设置中不能很好地工作。越来越多的研究通过各种方法解决了这些挑战。不幸的是，缺乏维护良好的实现会减慢采用CO层的速度。在本文的基础上，我们对CO层介绍了一种概率的观点，该观点自然而然地是近似分化和结构化损失的构建。我们从文献中恢复了许多特殊情况的方法，我们也得出了新方法。基于这个统一的观点，我们提出了inferpopt.jl，一个开源的朱莉娅软件包，1）允许将任何具有线性物镜的Co Oracle转换为可区分的层，以及2）定义足够的损失以训练包含此类层的管道。我们的图书馆使用任意优化算法，并且与朱莉娅的ML生态系统完全兼容。我们使用视频游戏地图上的探索问题来证明其能力。

将离散域上的功能集成到神经网络中是开发其推理离散对象的能力的关键。但是，离散域是（1）自然不适合基于梯度的优化，并且（2）与依赖于高维矢量空间中表示形式的深度学习体系结构不相容。在这项工作中，我们解决了设置功能的两个困难，这些功能捕获了许多重要的离散问题。首先，我们开发了将设置功能扩展到低维连续域的框架，在该域中，许多扩展是自然定义的。我们的框架包含许多众所周知的扩展，作为特殊情况。其次，为避免不良的低维神经网络瓶颈，我们将低维扩展转换为高维空间中的表示形式，从半际计划进行组合优化的成功中获得了灵感。从经验上讲，我们观察到扩展对无监督的神经组合优化的好处，特别是具有高维其表示。

Graph clustering is a fundamental problem in unsupervised learning, with numerous applications in computer science and in analysing real-world data. In many real-world applications, we find that the clusters have a significant high-level structure. This is often overlooked in the design and analysis of graph clustering algorithms which make strong simplifying assumptions about the structure of the graph. This thesis addresses the natural question of whether the structure of clusters can be learned efficiently and describes four new algorithmic results for learning such structure in graphs and hypergraphs. All of the presented theoretical results are extensively evaluated on both synthetic and real-word datasets of different domains, including image classification and segmentation, migration networks, co-authorship networks, and natural language processing. These experimental results demonstrate that the newly developed algorithms are practical, effective, and immediately applicable for learning the structure of clusters in real-world data.

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

计算Wassersein BaryCenters（A.K.A.最佳运输重构）是由于数据科学的许多应用，最近引起了相当大的关注的几何问题。虽然存在任何固定维度的多项式时间算法，但所有已知的运行时间都在维度中呈指数级。这是一个开放的问题，无论是这种指数依赖性是否可改进到多项式依赖性。本文证明，除非P = NP，答案是否定的。这揭示了Wassersein的BaryCenter计算的“维度诅咒”，其不会发生最佳运输计算。此外，我们对计算Wassersein的硬度结果延伸到近似计算，看似简单的问题案例，以及在其他最佳运输指标中平均概率分布。

In the Priority $k$-Center problem, the input consists of a metric space $(X,d)$, an integer $k$, and for each point $v \in X$ a priority radius $r(v)$. The goal is to choose $k$-centers $S \subseteq X$ to minimize $\max_{v \in X} \frac{1}{r(v)} d(v,S)$. If all $r(v)$'s are uniform, one obtains the $k$-Center problem. Plesn\'ik [Plesn\'ik, Disc. Appl. Math. 1987] introduced the Priority $k$-Center problem and gave a $2$-approximation algorithm matching the best possible algorithm for $k$-Center. We show how the problem is related to two different notions of fair clustering [Harris et al., NeurIPS 2018; Jung et al., FORC 2020]. Motivated by these developments we revisit the problem and, in our main technical contribution, develop a framework that yields constant factor approximation algorithms for Priority $k$-Center with outliers. Our framework extends to generalizations of Priority $k$-Center to matroid and knapsack constraints, and as a corollary, also yields algorithms with fairness guarantees in the lottery model of Harris et al [Harris et al, JMLR 2019].

Cutting planes are a crucial component of state-of-the-art mixed-integer programming solvers, with the choice of which subset of cuts to add being vital for solver performance. We propose new distance-based measures to qualify the value of a cut by quantifying the extent to which it separates relevant parts of the relaxed feasible set. For this purpose, we use the analytic centers of the relaxation polytope or of its optimal face, as well as alternative optimal solutions of the linear programming relaxation. We assess the impact of the choice of distance measure on root node performance and throughout the whole branch-and-bound tree, comparing our measures against those prevalent in the literature. Finally, by a multi-output regression, we predict the relative performance of each measure, using static features readily available before the separation process. Our results indicate that analytic center-based methods help to significantly reduce the number of branch-and-bound nodes needed to explore the search space and that our multiregression approach can further improve on any individual method.

本文研究了多项式基础，该基础生成了最小的$ n $ -simplex，封闭了给定的$ n^{\ text {th}} $ - 度$ \ mathbb {r}^n $中的多项式曲线。尽管Bernstein和B-Spline多项式碱基为该问题提供了可行的解决方案，但这些碱基获得的单纯形并不是最小的，这会导致许多CAD（计算机辅助设计）应用中过度保守的结果。我们首先证明解决此问题的多项式基础（MINVO基础）也解决了$ n^\ text {th} $ - 度式多项式曲线，其中最大的凸壳壳包含在给定的$ n $ simplex中。然后，我们提出了一个独立于$ n $ -simplex或$ n^{\ text {th}} $的公式。通过使用方案总和（SOS）编程，分支和界限以及力矩放松，我们可以为任何$ n \ in \ Mathbb {n} $中的任何$ n \获得高质量的可行解决方案，并证明（数值）全球最佳性$ n = 1,2,3 $和（数值）$ n = 4 $的本地最优性。对于$ n = 3 $获得的结果表明，对于任何给定的$ 3^{\ text {rd}} $ - 度$ \ mathbb {r}^3 $中的多项式曲线，Minvo基础能够获得一个封闭的单纯词其数量为$ 2.36 $和$ 254.9 $ $倍的$倍，分别比Bernstein和B-Spline Bases所获得的倍。当$ n = 7 $时，这些比率分别增加到$ 902.7 $和$ 2.997 \ cdot10^{21} $。

最小的平方和群集（MSSC）或K-Means型聚类，传统上被认为是无监督的学习任务。近年来，使用背景知识来提高集群质量，促进聚类过程的可解释性已成为数学优化和机器学习研究的热门研究课题。利用数据群集中的背景信息的问题称为半监督或约束群集。在本文中，我们为半监控MSSC提供了一种新的分支和绑定算法，其中背景知识被包含为成对必须 - 链接和无法链接约束。对于较低的界限，我们解决了MSSC离散优化模型的Semidefinite编程宽松，并使用了用于加强界限的纤维平面程序。相反，通过使用整数编程工具，我们提出了将K-Means算法适应受约束的情况。这是第一次，所提出的全局优化算法有效地管理，以解决现实世界的情况，最高可达800个数据点，具有必要的必须 - 链接和无法链接约束以及通用数量的功能。这个问题大小大约比最先进的精确算法解决的实例大约四倍。

图形匹配优化问题是计算机视觉中许多任务的重要组成部分，例如在通信中带来两个可变形对象。自然，在过去的几十年中，已经提出了广泛的适用算法。由于尚未开发出通用的标准基准，因此由于对不同的问题实例的评估和标准使结果无与伦比，因此通常很难验证其绩效主张。为了解决这些缺点，我们提出了匹配算法的比较研究。我们创建了一个统一的基准测试标准，在其中收集和分类了一组现有和公开可用的计算机视觉图形匹配问题，以通用格式。同时，我们收集和分类图形匹配算法的最流行的开源实现。它们的性能以与比较优化算法的最佳实践相符的方式进行评估。该研究旨在可再现和扩展，以作为未来的宝贵资源。我们的研究提供了三个值得注意的见解：1。）流行问题实例在少于1秒的时间内完全可以解决，因此不足以进行将来的经​​验评估； 2.）最受欢迎的基线方法高于最佳可用方法； 3.）尽管该问题存在NP硬度，但即使对于具有超过500个顶点的图形，也可以在几秒钟内求解来自视力应用程序的实例。

人工神经网络（ANN）训练景观的非凸起带来了固有的优化困难。虽然传统的背传播随机梯度下降（SGD）算法及其变体在某些情况下是有效的，但它们可以陷入杂散的局部最小值，并且对初始化和普通公共表敏感。最近的工作表明，随着Relu激活的ANN的培训可以重新重整为凸面计划，使希望能够全局优化可解释的ANN。然而，天真地解决凸训练制剂具有指数复杂性，甚至近似启发式需要立方时间。在这项工作中，我们描述了这种近似的质量，并开发了两个有效的算法，这些算法通过全球收敛保证培训。第一算法基于乘法器（ADMM）的交替方向方法。它解决了精确的凸形配方和近似对应物。实现线性全局收敛，并且初始几次迭代通常会产生具有高预测精度的解决方案。求解近似配方时，每次迭代时间复杂度是二次的。基于“采样凸面”理论的第二种算法更简单地实现。它解决了不受约束的凸形制剂，并收敛到大约全球最佳的分类器。当考虑对抗性培训时，ANN训练景观的非凸起加剧了。我们将稳健的凸优化理论应用于凸训练，开发凸起的凸起制剂，培训Anns对抗对抗投入。我们的分析明确地关注一个隐藏层完全连接的ANN，但可以扩展到更复杂的体系结构。

Outier-bubust估计是一个基本问题，已由统计学家和从业人员进行了广泛的研究。在过去的几年中，整个研究领域的融合都倾向于“算法稳定统计”，该统计数据的重点是开发可拖动的异常体 - 固定技术来解决高维估计问题。尽管存在这种融合，但跨领域的研究工作主要彼此断开。本文桥接了有关可认证的异常抗衡器估计的最新工作，该估计是机器人技术和计算机视觉中的几何感知，并在健壮的统计数据中并行工作。特别是，我们适应并扩展了最新结果对可靠的线性回归（适用于<< 50％异常值的低外壳案例）和列表可解码的回归（适用于>> 50％异常值的高淘汰案例）在机器人和视觉中通常发现的设置，其中（i）变量（例如旋转，姿势）属于非convex域，（ii）测量值是矢量值，并且（iii）未知的异常值是先验的。这里的重点是绩效保证：我们没有提出新算法，而是为投入测量提供条件，在该输入测量值下，保证现代估计算法可以在存在异常值的情况下恢复接近地面真相的估计值。这些条件是我们所谓的“估计合同”。除了现有结果的拟议扩展外，我们认为本文的主要贡献是（i）通过指出共同点和差异来统一平行的研究行，（ii）在介绍先进材料（例如，证明总和证明）中的统一行为。对从业者的可访问和独立的演讲，（iii）指出一些即时的机会和开放问题，以发出异常的几何感知。

随着机器学习变得普遍，减轻培训数据中存在的任何不公平性变得至关重要。在公平的各种概念中，本文的重点是众所周知的个人公平，该公平规定应该对类似的人进行类似的对待。虽然在训练模型（对处理）时可以提高个人公平性，但我们认为在模型培训（预处理）之前修复数据是一个更基本的解决方案。特别是，我们表明标签翻转是改善个人公平性的有效预处理技术。我们的系统IFLIPPER解决了限制了个人公平性违规行为的最小翻转标签的优化问题，当培训数据中的两个类似示例具有不同的标签时，发生违规情况。我们首先证明问题是NP-HARD。然后，我们提出了一种近似的线性编程算法，并提供理论保证其结果与标签翻转数量有关的结果与最佳解决方案有多近。我们还提出了使线性编程解决方案更加最佳的技术，而不会超过违规限制。实际数据集上的实验表明，在看不见的测试集的个人公平和准确性方面，IFLIPPER显着优于其他预处理基线。此外，IFLIPPER可以与处理中的技术结合使用，以获得更好的结果。

我们开发了快速算法和可靠软件，以凸出具有Relu激活功能的两层神经网络的凸优化。我们的工作利用了标准的重量罚款训练问题作为一组组-YELL_1 $调查的数据本地模型的凸重新印度，其中局部由多面体锥体约束强制执行。在零规范化的特殊情况下，我们表明此问题完全等同于凸“ Gated Relu”网络的不受约束的优化。对于非零正则化的问题，我们表明凸面式relu模型获得了RELU训练问题的数据依赖性近似范围。为了优化凸的重新制定，我们开发了一种加速的近端梯度方法和实用的增强拉格朗日求解器。我们表明，这些方法比针对非凸问题（例如SGD）和超越商业内部点求解器的标准训练启发式方法要快。在实验上，我们验证了我们的理论结果，探索组-ELL_1 $正则化路径，并对神经网络进行比例凸的优化，以在MNIST和CIFAR-10上进行图像分类。