Grouped variable selection with discrete optimization: Computational and statistical perspectives

启发式 估计员 数学优化 数学 坐标下降 选择(遗传算法) 整数规划 算法 计算机科学 人工智能 统计
作者
Hussein Hazimeh,Rahul Mazumder,Peter Radchenko
出处
期刊:Annals of Statistics [Institute of Mathematical Statistics]
卷期号:51 (1) 被引量:12
标识
DOI:10.1214/21-aos2155
摘要

We present a new algorithmic framework for grouped variable selection that is based on discrete mathematical optimization. While there exist several appealing approaches based on convex relaxations and nonconvex heuristics, we focus on optimal solutions for the ℓ0-regularized formulation, a problem that is relatively unexplored due to computational challenges. Our methodology covers both high-dimensional linear regression and nonparametric sparse additive modeling with smooth components. Our algorithmic framework consists of approximate and exact algorithms. The approximate algorithms are based on coordinate descent and local search, with runtimes comparable to popular sparse learning algorithms. Our exact algorithm is based on a standalone branch-and-bound (BnB) framework, which can solve the associated mixed integer programming (MIP) problem to certified optimality. By exploiting the problem structure, our custom BnB algorithm can solve to optimality problem instances with 5×106 features and 103 observations in minutes to hours—over 1000 times larger than what is currently possible using state-of-the-art commercial MIP solvers. We also explore statistical properties of the ℓ0-based estimators. We demonstrate, theoretically and empirically, that our proposed estimators have an edge over popular group-sparse estimators in terms of statistical performance in various regimes. We provide an open source implementation of our proposed framework.
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