Solving the metric nearness problem: methods and results

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Guizardi, Júlia Demori
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45132/tde-31072025-192457/
Resumo: The Metric Nearness Problem consists of finding the closest distance matrix, using the \\ell_p norm, to a given dissimilarity matrix such that metric properties, particularly the triangle inequalities, are satisfied. This problem can be applied in various contexts, including image processing, data clustering, and sensor location (when additional constraints are imposed), where noisy or incomplete distance data must be corrected. This work provides both theoretical and practical studies of the problem. The minimization formulation is presented under the \\ell_, \\ell_ and \\ell_{\\infty} norms. Two numerical optimization methods are studied and applied: the Augmented Lagrangian method via Algencan, and the Dykstra projection method, which was specifically programmed for this problem. Both are applied to the three norms. Optimizations were implemented to handle the large number of constraints by dealing with patterns in the algorithm. Extensive experiments were conducted on synthetic and real-world datasets to evaluate computational performance and numerical accuracy. The \\ell_ norm problem was especially suitable for Algencan given its nonlinear structure, while Dykstras method showed superior performance in large-scale settings due to the specific implementation that generates low memory requirements. In linear cases, such as the \\ell_, \\ell_{\\infty} norms, a comparison with the Simplex method was also performed. Results reveal that the Dykstra method, when properly applied, can solve problems up to 10^ constraints.
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spelling Solving the metric nearness problem: methods and resultsResolução do problema da aproximação métrica: métodos e resultadosAlgencanAlgencanDykstraDykstraMetric nearness problemProblema da aproximação métricaThe Metric Nearness Problem consists of finding the closest distance matrix, using the \\ell_p norm, to a given dissimilarity matrix such that metric properties, particularly the triangle inequalities, are satisfied. This problem can be applied in various contexts, including image processing, data clustering, and sensor location (when additional constraints are imposed), where noisy or incomplete distance data must be corrected. This work provides both theoretical and practical studies of the problem. The minimization formulation is presented under the \\ell_, \\ell_ and \\ell_{\\infty} norms. Two numerical optimization methods are studied and applied: the Augmented Lagrangian method via Algencan, and the Dykstra projection method, which was specifically programmed for this problem. Both are applied to the three norms. Optimizations were implemented to handle the large number of constraints by dealing with patterns in the algorithm. Extensive experiments were conducted on synthetic and real-world datasets to evaluate computational performance and numerical accuracy. The \\ell_ norm problem was especially suitable for Algencan given its nonlinear structure, while Dykstras method showed superior performance in large-scale settings due to the specific implementation that generates low memory requirements. In linear cases, such as the \\ell_, \\ell_{\\infty} norms, a comparison with the Simplex method was also performed. Results reveal that the Dykstra method, when properly applied, can solve problems up to 10^ constraints.O Problema da Aproximação Métrica consiste em encontrar a matriz de distâncias mais próxima, usando a norma \\ell_p, para uma matriz de dissimilaridade dada de forma que as propriedades métricas, particularmente as desigualdades triangulares, sejam satisfeitas. Este problema pode ser aplicado em diversos contextos, incluindo processamento de imagens, agrupamento de dados e localização de sensores (quando restrições adicionais são acrescentadas), onde os dados fornecidos possuem ruídos ou estão incompletos e precisam ser corrigidos. Este trabalho oferece estudos tanto teóricos quanto práticos do problema. A formulação do problema é apresentada sob as normas \\ell_, \\ell_ e \\ell_{\\infty}. Dois métodos de otimização numérica são estudados e aplicados: o método de Lagrangiano Aumentado via Algencan e o método de projeção de Dykstra, que pode ser especificamente programado para este problema. Ambos são aplicados às três normas. Otimizações foram implementadas para lidar com o grande número de restrições, aproveitando de padrões no algoritmo. Diversos experimentos foram conduzidos em conjuntos de dados sintéticos e reais para avaliar o desempenho computacional e a precisão numérica. O problema com a norma \\ell_ foi especialmente adaptado ao Algencan devido à sua estrutura não linear, enquanto o método de Dykstra mostrou desempenho superior em conjuntos de grande escala devido à implementação específica que gera baixos requisitos de memória. Em casos lineares, com as normas \\ell_ e \\ell_{\\infty}, também foi realizada uma comparação com o método Simplex. Os resultados revelam que o método de Dykstra, quando aplicado corretamente, pode resolver problemas com até 10^ restrições.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPBirgin, Ernesto Julian GoldbergGuizardi, Júlia Demori2025-06-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/45/45132/tde-31072025-192457/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-08-04T16:41:02Zoai:teses.usp.br:tde-31072025-192457Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-08-04T16:41:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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