We study the problem of decomposing a polynomial $p$ into a sum of $r$ squares by minimizing a quadratically-penalized objective $f_p(\mathbf{u}) = \left\lVert \sum_{i=1}^r u_i^2 - p\right\lVert^2$. This objective is non-convex and is equivalent to the rank-$r$ Burer-Monteiro factorization of a semidefinite program (SDP) encoding the sum of squares decomposition. We show that for all univariate polynomials $p$, if $r \ge 2$ then $f_p(\mathbf{u})$ has no spurious second-order critical points, showing that all local optima are also global optima. This is in contrast to previous work showing that for general SDPs, in addition to genericity conditions, $r$ has to be roughly the square root of the number of constraints (the degree of $p$) for there to be no spurious second-order critical points. Our proof uses tools from computational algebraic geometry and can be interpreted as constructing a certificate using the first and second order necessary conditions. We also show that by choosing a norm based on sampling equally-spaced points on the circle, the gradient $\nabla f_p$ can be computed in nearly linear time using fast Fourier transforms. Experimentally we demonstrate that this method has very fast convergence using first-order optimization algorithms such as L-BFGS, with near-linear scaling to million-degree polynomials.


翻译:我们研究如何将一个多元的美元折成一美元方块的问题。 通过最小化一个二次同步目标$f_p(\ mathbf{u}) =\left\ lVert\ sum ⁇ i=1 ⁇ r u_i ⁇ 2 - p\right\lVert ⁇ 2美元。 这个目标是非convex, 相当于一个半确定性程序(SDP) 的等级- 美元, 折合平方平方平方平面之和 。 我们显示, 对于所有非正方平面目标 $_ p (\ mathb{u}) =\ =\ leftleft\ p_ p( mathb}) =\ supp=1\\ {i} {i\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ \ p\ 2 美元。 这个目标相当于一个半确定性平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平。 我们的平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平方平

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