Formal Proofs for Global Optimization -- Templates and Sums of Squares
Preuves formelles pour l'optimisation globale -- Méthodes de gabarits et sommes de carrés
Résumé
The aim of this work is to certify lower bounds for real-valued multivariate functions, defined by semialgebraic or transcendental expressions and to prove their correctness by checking the certificates in the Coq proof system. The application range for such a tool is widespread; for instance Hales' proof of Kepler's conjecture involves thousands of nonlinear inequalities. The functions we are dealing with are nonlinear and involve semialgebraic operations as well as some transcendental functions like cos, arctan, exp, etc. Our general framework is to use different approximation methods to relax the original problem into a semialgebraic optimization problem. It leads to polynomial optimization problems which we solve by sparse sums of squares relaxations. First, we implement a classical scheme in global optimization. Namely, we approximate univariate transcendental functions with best uniform degree-d polynomial estimators. Then, we present an alternative method, which consists in bounding some of the constituents of the nonlinear function by suprema or infima of quadratic polynomials (max-plus approximation method, initially introduced in optimal control) with a carefully chosen curvature. Finally, we improve this approximation algorithm, by combining the ideas of the maxplus estimators and of the linear template method developed by Manna et al. (in static analysis). The nonlinear templates control the complexity of the semialgebraic estimators at the price of coarsening the maxplus approximations. In that way, we arrive at a new - template based - global optimization method, which exploits both the precision of sums of squares/SDP relaxations and the scalability of abstraction methods. We successfully implemented these approximation methods in a software package named NLCertify. This tool interleaves semialgebraic approximations with sums of squares witnesses to form certificates. It is interfaced with Coq and thus benefits from the trusted arithmetic available inside the proof assistant. This feature is used to produce, from the certificates, both valid underestimators and lower bounds for each approximated constituent. We illustrate the efficiency of NLCertify with various examples from the global optimization literature, as well as tight inequalities issued from the Flyspeck project.
Cette thèse a pour but de certifier des bornes inférieures de fonctions multivariées à valeurs réelles, définies par des expressions semi-algébriques ou transcendantes et de prouver leur validité en vérifiant les certificats dans l'assistant de preuves Coq. De nombreuses inégalités de cette nature apparaissent par exemple dans la preuve par Thomas Hales de la conjecture de Kepler. Dans le cadre de cette étude, on s'intéresse à des fonctions non-linéaires, faisant intervenir des opérations semi-algébriques ainsi que des fonctions transcendantes univariées (cos, arctan, exp, etc). L'utilisation de différentes méthodes d'approximation permet de relâcher le problème initial en un problème d'optimisation semi-algébrique. On se ramène ainsi à des problèmes d'optimisation polynomiale, qu'on résout par des techniques de sommes de carrés creuses. Dans un premier temps, nous présentons une technique classique d'optimisation globale. Les fonctions transcendantes univariées sont approchées par les meilleurs estimateurs polynomiaux uniformes de degré d. Par la suite, nous présentons une méthode alternative, qui consiste a borner certains des constituants de la fonction non-linéaire par des suprema de formes quadratiques (approximation maxplus, introduite à l'origine en contrôle optimal) de courbures judicieusement choisies. Enfin, cet algorithme d'approximation est amélioré, en combinant l'idée des estimateurs maxplus et de la méthode des gabarits développée par Manna et al. (en analyse statique). Les gabarits non-linéaires permettent un compromis sur la precision des approximations maxplus afin de contrôler la complexité des estimateurs semi-algébriques. Ainsi, on obtient une nouvelle technique d'optimisation globale, basée sur les gabarits, qui exploite à la fois la precision des sommes de carrés et la capacité de passage à l'échelle des méthodes d'abstraction. L'implémentation de ces méthodes d'approximation a abouti à un outil logiciel : NLCertify. Cet outil génère des certificats à partir d'approximations semi-algébriques et de sommes de carrés. Son interface avec Coq permet de bénéficier de l'arithmétique certifiée disponible dans l'assistant de preuves, et ainsi d'obtenir des estimateurs et des bornes valides pour chaque approximation. Nous démontrons les performances de cet outil de certification sur divers problèmes d'optimisation globale ainsi que sur des inégalités serrées qui interviennent dans la preuve de Hales.
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