We give query complexity lower bounds for convex optimization and the related feasibility problem. We show that quadratic memory is necessary to achieve the optimal oracle complexity for first-order convex optimization. In particular, this shows that center-of-mass cutting-planes algorithms in dimension $d$ which use $\tilde O(d^2)$ memory and $\tilde O(d)$ queries are Pareto-optimal for both convex optimization and the feasibility problem, up to logarithmic factors. Precisely, we prove that to minimize $1$-Lipschitz convex functions over the unit ball to $1/d^4$ accuracy, any deterministic first-order algorithms using at most $d^{2-\delta}$ bits of memory must make $\tilde\Omega(d^{1+\delta/3})$ queries, for any $\delta\in[0,1]$. For the feasibility problem, in which an algorithm only has access to a separation oracle, we show a stronger trade-off: for at most $d^{2-\delta}$ memory, the number of queries required is $\tilde\Omega(d^{1+\delta})$. This resolves a COLT 2019 open problem of Woodworth and Srebro.


翻译:我们给出了凸优化及相关可行性问题的查询复杂度下界。研究表明,对于一阶凸优化,实现最优查询复杂度必须使用二次内存。特别地,这表明在维度$d$中使用$\tilde O(d^2)$内存和$\tilde O(d)$查询的质心切割平面算法在凸优化和可行性问题中(对数因子范围内)均为帕累托最优。精确而言,我们证明:为在单位球上将1-利普希茨凸函数优化至$1/d^4$精度,任何使用至多$d^{2-\delta}$比特内存的确定性一阶算法必须执行$\tilde\Omega(d^{1+\delta/3})$次查询(对任意$\delta\in[0,1]$)。对于仅能访问分离黑箱的可行性问题,我们证明了更强的权衡关系:当内存不超过$d^{2-\delta}$时,所需查询次数为$\tilde\Omega(d^{1+\delta})$。这解决了Woodworth与Srebro在COLT 2019提出的开放问题。

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