Modifications on controlled Cholesky factorization to improve the preconditioning in interior point method

Orientador: Aurelio Ribeiro Leite de OliveiraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação CientíficaResumo: O método de pontos interiores para programação linear resolve em poucas iterações problemas de grande porte. No entanto, requer a cada iteração a resolução de dois sistemas lineares, os quais possuem a mesma matriz de coeficientes. Essa etapa se constitui no passo mais caro do método por aumentar consideravelmente o tempo de processamento e a necessidade de armazenamento de dados. Reduzir o tempo de solução dos sistemas lineares é, portanto, uma forma de melhorar o desempenho do método. De um modo geral, problemas de programação linear de grande porte possuem matrizes esparsas. Uma vez que os sistemas lineares a serem resolvidos são simétricos positivos definidos, métodos iterativos como o método dos gradientes conjugados precondicionado podem ser utilizados na resolução dos mesmos. Além disso, fatores de Cholesky incompletos podem ser utilizados como precondicionadores para o problema. Por outro lado, fatorações incompletas podem sofrer falhas na diagonal durante o processo de fatoração, e quando tais falhas ocorrem uma correção é efetuada somando-se um valor positivo aos elementos da diagonal da matriz do sistema linear e a fatoração da nova matriz é reiniciada, aumentando dessa forma o tempo de precondicionamento, quer seja devido a reconstrução do precondicionador, quer seja devido a perda de qualidade do mesmo. O precondicionador fatoração controlada de Cholesky tem um bom desempenho nas iterações iniciais do método de pontos interiores e tem sido importante nas implementações de abordagens de precondicionamento híbrido. No entanto, sendo uma fatoração incompleta, o mesmo não está livre da ocorrência de falhas no cálculo do pivô. Neste estudo propomos duas modificações à fatoração controlada de Cholesky a fim de evitar ou diminuir o número de reinícios da fatoração das matrizes diagonalmente modificadas. Resultados computacionais mostram que a técnica pode reduzir significativamente o tempo de resolução de certas classes de problemas de programação linear via método de pontos interioresAbstract: The interior point method solves large linear programming problems in few iterations. However, each iteration requires computing the solution of one or more linear systems. This constitutes the most expensive step of the method by greatly increasing the processing time and the need for data storage. According to it, reducing the time to solve the linear system is a way of improving the method performance. In general, large linear programming problems have sparse matrices. Since the linear systems to be solved are symmetric positive definite, iterative methods such as the preconditioned conjugate gradient method can be used to solve them. Furthermore, incomplete Cholesky factor can be used as a preconditioner to the problem. On the other hand, breakdown may occur during incomplete factorizations. When such failure occur, a correction is made by adding a positive number to diagonal elements of the linear system matrix and the factorization of the new matrix is restarted, thus increasing the time of preconditioning, either due to computing the preconditioner, or due to loss of its quality. The controlled Cholesky factorization preconditioner performs well in early iterations of interior point methods and has been important on implementations of hybrid preconditioning approaches. However, being an incomplete factorization, it is not free from faulty pivots. In this study we propose two modifications to the controlled Cholesky factorization in order to avoid or decrease the refactoring diagonally modified matrices number. Computational results show that the proposed techniques can significantly reduces the time for solving linear programming problems by interior point methodDoutoradoMatematica AplicadaDoutor em Matemática Aplicad