LU and Cholesky matrix factorization algorithms are core subroutines used to solve systems of linear equations (SLEs) encountered while solving an optimization problem. Standard factorization algorithms are highly efficient but remain susceptible to the accumulation roundoff errors, which can lead solvers to return feasibility and optimality certificates that are actually invalid. This paper introduces a novel approach for solving sequences of closely related SLEs encountered in nonlinear programming efficiently and without roundoff errors. Specifically, it introduces rank-one update algorithms for the roundoff-error-free (REF) factorization framework, a toolset built on integer-preserving arithmetic that has led to the development and implementation of fail-proof SLE solution subroutines for linear programming. The formal guarantees of the proposed algorithms are formally established through the derivation of theoretical insights. Their computational advantages are supported with computational experiments, which demonstrate upwards of 75x-improvements over exact factorization run-times on fully dense matrices with over one million entries. A significant advantage of the proposed methodology is that the length of any coefficient calculated via the associated algorithms is bounded polynomially in the size of the inputs without having to resort to greatest common divisor operations, which are required by and thereby hinder an efficient implementation of exact rational arithmetic approaches.


翻译:LU 和 Choolesky 矩阵要素化算法是用于解决优化问题时遇到的线性方程式系统的核心子常规。标准要素化算法非常高效,但仍然易受累积回合错误的影响,这可以引导解决问题者返回可行性和最佳性证书,这些证书实际上无效。本文件介绍了一种新颖的方法,以解决非线性编程中遇到的密切相关的SLE序列,既高效,又没有回合性差错。具体地,它为圆盘-无螺旋(REF)因子化框架引入了一阶更新算法,这是建立在整数保留算法基础上的工具,已经导致为线性编程开发和实施防故障的SLE解决方案子例。拟议算法的正式保障是通过理论见解推导而正式确定的。它们的计算优势得到了计算实验的支持,这些实验显示精确因精确因子化而超过100万个条目而运行的时间上升了75x缺陷。拟议方法的一个显著的优点是,通过整数保值性保值计算的任何系数的长度,通过相关算法的理性方法,从而阻碍了最高效的算法的计算方法,从而限制了最合理的计算结果。

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