Published July 16, 2024 | Version v1
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Geometric and computational hardness of bilevel programming

Others:
Toulouse School of Economics (TSE-R) ; Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-École des hautes études en sciences sociales (EHESS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE)
Équipe Méthodes et Algorithmes en Commande (LAAS-MAC) ; Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) ; Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse) ; Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)
Argumentation, Décision, Raisonnement, Incertitude et Apprentissage (IRIT-ADRIA) ; Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT) ; Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI) ; Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP) ; Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI) ; Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J) ; Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3) ; Université de Toulouse (UT)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (LJAD) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UniCA)
FA8655-22-1-7012 (Air Force Office of Scientific Research, Air Force Material Command, USAF)
AI Interdisciplinary Institute ANITI funding, through the French ``Investments for the Future -- PIA3'' program under the grant agreement ANR-19-PI3A0004
ANR-17-EURE-0010,CHESS,Toulouse Graduate School défis en économie et sciences sociales quantitatives(2017)
ANR-23-CE23-0012,BONSAI,Optimization bi-niveau pour l'inférence à base de simulations(2023)

Description

We first show a simple but striking result in bilevel optimization: unconstrained $C^\infty$ smooth bilevel programming is as hard as general extended-real-valued lower semicontinuous minimization. We then proceed to a worst-case analysis of box-constrained bilevel polynomial optimization. We show in particular that any extended-real-valued semi-algebraic function, possibly non-continuous, can be expressed as the value function of a polynomial bilevel program. Secondly, from a computational complexity perspective, the decision version of polynomial bilevel programming is one level above NP in the polynomial hierarchy ($\Sigma^p_2$-hard). Both types of difficulties are uncommon in non-linear programs for which objective functions are typically continuous and belong to the class NP. These results highlight the irremediable hardness attached to general bilevel optimization and the necessity of imposing some form of regularity on the lower level.

Additional details

Created:
July 18, 2024
Modified:
July 18, 2024