高阶高维张量回归的优化理论与算法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11771038
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    48.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0405.连续优化
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Tensor-based modeling and computation emerge prominently with the rapid development of modern science and technology, and demands from practical applications in the big data era. The concept of high order high dimensional tensor regression(HOHDTR) is exactly a high order tensor-based statistical regression in the high dimensional setting, in which the unknown coefficients admit a high order tensor structure. The HOHDTR has a wide range of applications in many areas such as medical imaging and diagnosis, machine learning and artificial intelligence, data mining, spatio-temporal forecasting ,and social network. The involved core mathematical model can be formulated as a constrained high order tensor optimization problem, which is generally NP-hard. This project aims to study the theory and algorithms for HOHDTR problems, which mainly contains the following three parts: (1)Explore the properties in statistics and in optimization for the HOHDTR with constraints generated from some intrinsic sparsity, low-rankness, and other prior information on structures of the tensor in question, and its possible regularization and relaxation tensor optimization models, in order to build up the corresponding relaxation theory and solution analysis; (2) Propose highly efficient and robust algorithms and establish their convergence analyses for large-scaled tensor optimization problems from HOHDTR problems; (3) Conduct numerical experiments on synthetic data and data from application problems in data mining and machine learning to provide an efficient software package for handling tensor optimization problems in practice. This project is of significant importance in scientific research and in real-world applications, not only for providing new theory and methodology for tensor regression analysis, but also for promoting the cross and integration of statistics, tensor analysis and optimization, and hence for triggering the rapid development of the statistical optimization which is a brand new interdisciplinary field.
随着现代科技的飞速发展以及大数据时代的实际应用需求,基于张量的建模与计算应运而生且备受关注。高阶高维张量回归(HOHDTR)是基于高阶张量的高维统计回归,被广泛应用于医学成像疾病诊疗、机器学习与人工智能、数据挖掘、时空预测、社交网络等领域。其核心数学模型为约束高阶张量优化,属于NP-难问题的范畴。本项目欲开展HOHDTR的优化理论与算法研究,主要内容包括:在高维情况下考虑带有稀疏低秩以及先验结构的非凸约束HOHDTR及各种正则化松弛优化模型的统计性质与优化理论;设计高效稳定、适合求解大规模张量优化问题的算法并建立收敛性分析;进行数值实验及在数据挖掘、机器学习等领域的应用研究,编写实用软件包。本项目的研究不仅为张量回归分析提供了新理论与新方法,而且能够促进统计学、张量分析与最优化的交叉与融合,推动统计优化这一新兴交叉学科的快速发展,具有重要学术研究意义和实际应用价值。

结项摘要

高阶高维张量回归是基于高阶张量的高维统计回归,被广泛应用于医学成像与疾病诊疗、机器学习与人工智能、数据挖掘等众多领域。如何合理构建高阶高维张量回归问题的稀疏低秩约束优化模型与正则化模型,并设计高效稳定的优化求解算法进行相应的参数估计,克服与规避高阶高维张量结构带来的超高计算复杂性及计算存储瓶颈问题,是张量回归的优化理论与算法研究的重点与难点,这些研究内容为统计回归带来了新的挑战和机遇,也将进一步促进稀疏优化与大规模统计计算的发展,因而具有重要的理论研究意义。本项目围绕高阶高维张量统计回归的理论、算法与应用等方面展开研究,在张量回归模型统计理论、稀疏回归的优化理论与快速算法、应用研究三个方面取得了较好的研究成果。主要包括:(1)针对L2,0-范数组稀疏约束与组稀疏正则的广义线性回归模型,建立特征选择一致性与最佳系数估计等统计理论;针对低秩张量Huber回归问题,建立统计误差界理论等;(2)针对高阶高维张量回归中凝练出来的稀疏优化问题,建立相应的高效稳定二阶算法,包括求解非线性稀疏优化本原模型的Lagrange-Newton算法,以及求解稀疏分组SLOPE正则回归优化的半光滑牛顿增广Lagrange算法等;(3)将理论与算法应用于地铁节能时刻表、3D人脸表情识别、因特网流量异常检测等三类重要实际问题,数值实验结果验证了方法的有效性与实用性。如上研究成果不仅丰富了稀疏优化的理论与算法,而且有助于统计、优化、机器学习、张量分析的交叉融合。通过该项目的开展,我们将理论探索、算法设计、应用实践有机融合,兼具理论研究意义与实际应用价值。

项目成果

期刊论文数量(22)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(0)
A Lagrange-Newton algorithm for sparse nonlinear programming
稀疏非线性规划的拉格朗日-牛顿算法
  • DOI:
    10.1007/s10107-021-01719-x
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Mathematical Programming
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Chen Zhao;Naihua Xiu;Hou-Duo Qi;Ziyan Luo
  • 通讯作者:
    Ziyan Luo
High-Dimensional Least-Squares with Perfect Positive Correlation
具有完美正相关的高维最小二乘法
  • DOI:
    10.1142/s0217595919500167
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
    Asia Pacific Journal of Operational Research
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Huang Zhiyong;Luo Ziyan;Xiu Naihua
  • 通讯作者:
    Xiu Naihua
Lagrangian duality and saddle points for sparse linear programming
稀疏线性规划的拉格朗日对偶性和鞍点
  • DOI:
    10.1007/s11425-018-9546-9
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Science China Mathematics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhao Chen;Luo Ziyan;Li Weiyue;Qi Houduo;Xiu Naihua
  • 通讯作者:
    Xiu Naihua
SLRTA: A sparse and low-rank tensor-based approach to internet traffic anomaly detection
SLRTA:一种基于稀疏低秩张量的互联网流量异常检测方法
  • DOI:
    10.1016/j.neucom.2020.12.123
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Neurocomputing
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Yu Xiaotong;Luo Ziyan;Qi Liqun;Xu Yanwei
  • 通讯作者:
    Xu Yanwei
Tensor Manifold with Tucker Rank Constraints
具有塔克秩约束的张量流形
  • DOI:
    10.1142/s0217595921500226
  • 发表时间:
    2021-06
  • 期刊:
    Asia Pacific Journal of Operational Research
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Shih Yu Chang;Ziyan Luo;Liqun Qi
  • 通讯作者:
    Liqun Qi

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其他文献

基于复杂网络的铁路事故致因分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    马欣;李克平;罗自炎;周进
  • 通讯作者:
    周进
Some new results for Z-transformation on the Lorentz Cone
洛伦兹锥 Z 变换的一些新结果
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Pacific Journal of Optimization
  • 影响因子:
    0.2
  • 作者:
    孔令臣;J. Tao;罗自炎;修乃华
  • 通讯作者:
    修乃华
半正定张量
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国科学-数学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    罗自炎;祁力群
  • 通讯作者:
    祁力群
Subderivative and subdifferential of gap functions in variational inequalities
变分不等式中间隙函数的微分和次微分
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Pacific Journal of Optimization
  • 影响因子:
    0.2
  • 作者:
    Jinchuan Zhou;修乃华;Soonyi Wu;罗自炎
  • 通讯作者:
    罗自炎
矩阵广义逆的推广
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    北京交通大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    罗自炎;修乃华
  • 通讯作者:
    修乃华

其他文献

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支持张量机的优化理论与快速算法
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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