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算法Algorithm

批量随机近端加速的噪声预算

Batched accelerated stochastic proximal gradient · 带权批量 FISTA

以放大的安全曲率吸收随机位移,证明加速势中的加权噪声和,再分配批量大小以分别认证近端次数与样本梯度成本。

形式陈述 ​

设 F=g+h,g:Rd→R 凸且梯度为 L-Lipschitz,L>0;h proper、闭凸,最优点 x∗ 存在。初始 x0∈domh 固定,已知 ‖x0−x∗‖≤R。沿用FISTA的主点、外推点及权重,但明确使用较保守曲率 K=2L。

事先固定轮数 T≥1 与整数批量 b1,…,bT≥1。每轮在同一历史可测的 yk 处查询 bk 个条件独立的随机梯度;每项条件均值为 ∇g(yk),中心化条件二阶矩至多 σ2。取批平均 vk=∇g(yk)+ξk,因此

(1)E[ξk∣Fk−1]=0,E[‖ξk‖2∣Fk−1]≤σ2/bk.

这采用随机近端梯度的条件噪声模型;不同轮无需无条件独立。初始化 y1=x0,t1=1,精确执行

(2)xk=proxh/K(yk−vk/K),tk+1=(1+1+4tk2)/2,yk+1=xk+tk−1tk+1(xk−xk−1).

输出最后主点 xT、T 次 prox、N=∑kbk 次随机梯度调用与参数。外推点不必在 domh,所以随机梯度 oracle 必须在实际查询的全空间可用且满足式(1)。本文证明

(3)E[F(xT)−F∗]≤LR2tT2+σ22LtT2∑k=1Ttk2bk.

这是固定预算期望界,既不是无噪声 O(T−2) 的直接继承,也不是已观测点的高概率停止证书。所有 prox 精确;内层近似误差需另加账本。

直觉

加速让早期的进展按增长的权重进入终点,同时也放大梯度噪声。式(3)把这种代价写成 ∑tk2/bk:后期一份相同方差的误差比早期更昂贵。

留出 K−L=L 的模型曲率余量,可以吸收“新主点已经依赖本轮噪声”的位移项;剩下的噪声内积才与旧历史配对、具有条件均值零。若直接把噪声项与新点的内积取期望为零,会得到不成立的加速结论。

加速权重决定批量,八轮不等于八个样本

为了减少昂贵的 prox 次数,可以在每个外推点多查一些梯度。它保留少量加速外轮,但没有让统计噪声所需的总样本数也变成 O(ε−1/2)。

例子与边界

六次样本、三次 prox 的实际轨迹 ​

取 g(x)=(x−1)2/2,h(x)=|x|/2,L=1,K=2,x0=0。单次 oracle 是 x−1+独立公平符号,故 σ2=1;最优点 x∗=1/2,F∗=3/8。批量为 (1,2,3),一次实现的三批噪声分别是

(−1),(−1,+1),(−1,+1,+1),

所以批均值为 −1,0,1/3。阈值为 1/4。第一步 x1=3/4;首轮动量为零,第二步 x2=5/8。令 β=(t2−1)/t3≈0.281753525,则

y3=58−β8,x3=y32+112=1948−β16≈0.378223738.

该点为正,实际目标差是 (x3−1/2)2/2,约0.007414729。总调用是6,prox是3,不是“只用了3个随机梯度”。完整64条等概率符号路径的最终目标期望约0.0565284807;用 R=1/2 代入式(3)的上界约0.4585695388。枚举平均与保守上界是不同产物。

同批三次返回若只是复制同一个符号,方差仍为1,不能填 1/3。所有批次复用同一个固定噪声还会破坏条件无偏。这两种故障都不能靠加大账面 bk 修复。

按所需精度先安排批量 ​

设 R,σ,ε>0。先选 T 使

LR2tT2≤ε2.

一个不需试算权重的充分选择是 T=max{1,⌈8LR2/ε⌉−1},因为 tT≥(T+1)/2。权重恒等式还给 A=∑k=1Ttk=tT2:将 tk=tk2−tk−12 从第2轮求和,再加 t1=t12=1 即得。因而可取

(4)bk=max{1,⌈σ2tkLε⌉}.

这使式(3)的噪声项至多 ε/2。正 σ 下括号内严格正,因此

(5)N≤T+σ2tT2Lε≤T+σ2T2Lε.

由递推可知 tk≤k,得到最后一步。于是 prox 次数为 O(1+LR2/ε),在 0<ε≤LR2 的精度区间中样本数为 O(LR2/ε+σ2R2/ε2)。式(5)及取整公式才是全参数有效的具体账本。σ=0 时直接每轮取一项;R=0 且知道其确为到最优点距离上界时,可返回初值。

例如 L=R=σ=1,ε=0.1,上述充分规则给 T=8。按真实权重计算的批量是 (10,17,22,28,33,39,44,49),总 N=242;确定项约0.0417579531,噪声项约0.0494860922,总界约0.0912440453。后期较大批量由权重账本决定。

固定批量不能凭名称得到无噪声率 ​

若始终使用同一个 b,式(3)的噪声项为 σ2∑tk2/(2LbtT2),其量级为 σ2T/(Lb)。这表示本证明不能认证无限增加外轮仍持续改善,不表示真实误差必定按这个上界线性增长。

在最简单的 h=0,g(x)=Lx2/2,x0=0 模型中,第一轮主点为 −ξ1/(2L),期望目标差已经是 σ2/(8Lb1)>0。若错误沿用只含初始距离的无噪声界,右侧是零,第一步就产生矛盾。准确的噪声模型必须在第一轮开始计费。

推论与应用

新点依赖噪声,如何正确消去 ​

记一次查询点为 y、主点为 x、批噪声为 ξ。精确 prox 的最优性、g 的凸下界与光滑上界相加,任取 z∈domh 得

F(x)≤F(z)+K2(‖z−y‖2−‖z−x‖2)−K−L2‖x−y‖2−⟨ξ,x−z⟩.

拆开 x−z=(x−y)+(y−z),并用

−⟨ξ,x−y⟩≤K−L2‖x−y‖2+‖ξ‖22(K−L),

便得到保留可预测内积的一步式

(6)F(x)≤F(z)+K2(‖z−y‖2−‖z−x‖2)+‖ξ‖22L−⟨ξ,y−z⟩,

其中已代入 K=2L。与本轮噪声有关的新点位移已经支付完,不能再重复声称它独立。

带噪加速势的完整累计 ​

设 Δk=F(xk)−F∗,uk=tkxk−(tk−1)xk−1−x∗,并记 u0=x0−x∗。第 k 轮取

zk=(1−1/tk)xk−1+x∗/tk.

它只依赖旧历史及固定最优点;凸性给 F(zk)−F∗≤(1−1/tk)Δk−1。外推和权重恒等式给

tk(zk−yk)=−uk−1,tk(zk−xk)=−uk,tk(tk−1)=tk−12(k≥2).

令 Pk=(2/K)tk2Δk+‖uk‖2。式(6)乘 2tk2/K,得到

(7)Pk≤Pk−1+tk2KL‖ξk‖2−2tkK⟨ξk,uk−1⟩,k≥2.

第一轮同样成立,只把 P0 定义为 ‖x0−x∗‖2;因为 t1=1,此时比较点就是 x∗,没有初始目标差项。uk−1 历史可测,式(1)使最后内积的条件期望为零。有限二阶矩与非扩张 prox 保证所用有限轮状态及交叉项可积。求和得到

EPT≤R2+σ2KL∑ktk2bk.

丢掉末端平方范数,再乘 K/(2tT2),就是式(3)。这一步完整保留随机误差,没有调用确定 FISTA 结论来替代分析。

为什么批量正比于权重 ​

暂时允许连续正批量,固定总查询数 N。由Cauchy–Schwarz,

(∑ktk)2≤(∑ktk2bk)(∑kbk).

等号在 bk∝tk 取得。因此应让后期批量线性随权重增长,而不是按 tk2 分配。整数、每批至少1、固定 N 的精确最优离散分配可另外求解;式(4)选择向上取整,提供可直接执行的安全预算。它不声称在每个小整数预算都达到精确最优。

若有未知曲率、近似 prox、带偏 oracle 或根据当前噪声接受回溯,都改变式(6)或条件可测性。确定内层残差预算不能未经增长权重分析直接搬来。实际可行对偶 gap 仍可另行计算,其费用也不包含在式(5)的 oracle 数中。

实现账本与失败状态 ​

可在一个固定 yk 处流式累加批量,不必保存每个样本梯度;常数个 d 维向量需要 O(d) 状态。批量累加与重加权工作为 O(Nd),外推等外层向量运算为 O(Td);T 次精确 prox 的内部费用及采样器费用另计。非有限 oracle、无法完成精确 prox、或剩余调用预算不足以完成计划批量时,应报告失败或未完成,并保留已花费用;不能把少跑的批量填入原计划证书。

自测与答案 ​

  1. 只有一轮,L=R=σ=1,b1=10,式(3)是多少?答案:t1=1,界为 1+1/20=1.05。它是最坏上界,不能用观察到的较小误差倒推出条件更强。
  2. 若将连续预算加倍且保持 bk 的比例,噪声项与 prox 次数怎样变化?答案:同一个固定 T 下噪声项减半,prox 次数不变;这不保证墙钟时间减半,也没有改善确定项。
参考资料
关系图谱8 个相邻概念 · 2 类关系

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