形式陈述
沿用梯度下降收敛定理理路梯度下降收敛定理Gradient descent convergence theorem · Convergence rate of gradient descent分别给出光滑凸与光滑强凸目标上梯度下降的次线性和几何函数值收敛率。的欧氏目标: 全局可微、-强凸、梯度全局 -Lipschitz,。强凸下界使 强制增长,连续性保证极小点存在,强凸性保证其唯一;记为 ,。本页所有梯度和算术精确。
输入初值 、整数延迟上界 、常步长 、提交预算 ,以及实际读取的版本号 。第 次提交执行
数的是已经原子提交的更新,不是秒数、设备数或通信轮数。一次查询必须读取同一个版本的完整向量;延迟可随轮变化,甚至由对手选择。不同结果可以乱序完成,但每个被接受的结果都加到当前 上,不能把旧的 覆盖回来。启动阶段不读取负版本,故必须有 。
一个带初值系数一的充分保证
若
则对每条满足式(1)的版本历史、每个 ,
这是确定性的末点界。它不要求目标值逐轮下降,也不是期望界或最锐安全步长。以下完整证明给出本页自行推导的保守常数,不能将它署为参考论文中的某个定理。
返回 、提交/读取版本日志、声明的 、实际整梯度查询数及状态。应区分“版本无效”“数值非有限”“参数未通过本定理条件”“预算完成且具有先验界”“当前点残差已认证”。参数越界不等于已经发散,参数通过也不免除对全局曲率与完整读取的核实。
例子与边界
带权历史的完整收缩证明
先设 。写 、,真实位移 ();仅为历史求和规定 (),这不是增加负时间查询。由下降引理理路下降引理Descent lemma · Quadratic upper-bound lemma以 Lipschitz 梯度常数给出函数相对一阶模型的全局二次上界。及极化恒等式, 给出
旧梯度与当前梯度之差沿真实读取间隔展开。由Cauchy–Schwarz理路Cauchy–Schwarz 不等式Cauchy–Schwarz inequality · 柯西–施瓦茨不等式内积的绝对值不超过两向量范数之积,且等号精确刻画线性相关。,
空和取零。强凸一阶下界对比较点取最小值,给 ,即 。定义
移动窗口的恒等式是
式(4)–(7)相加,得
核对两个系数,不能只丢掉 就宣称它也收缩。令 ,由式(2),
故 。另一方面,,且 ,所以
代回式(8)便得 。启动时 ,故 ;再用 ,即证式(3)及其初值系数一。点误差界来自强凸二次增长。
时另证,避免除以零。此时 、,普通下降估计给
零延迟的更锐 结论仍见原收敛页。本页选同一保守公式是为了覆盖任意允许的延迟历史。
六次提交:完整版本真的改变了轨迹
取 、,则 。设 ,依次使用延迟 ,即读取版本 。精确轨迹为
例如提交4读取 ,故 ;更新从 开始,而非从 开始。终点有
能量与目标差是不同的数;此例的实际误差远小于最坏历史上界,并不改变定理。
固定标量延迟:精确稳定区间与真正反例
令 ,,。固定延迟的线性递推
对所有初始历史都渐近稳定,当且仅当
这条精确边界只属于固定延迟标量模型,不是任意非线性目标、变延迟的式(2)。其证明如下。充分小的 时,近1的根为 ,其余 个根近0,全部在单位圆内。令圆上的根为 ,。由 ,正实数条件为
第一次交圆发生在 或其共轭,得到式(10)的上端点。圆上根均为单根,因为 不会在那里为零。隐式求导还给
因此所有交圆都向外,不能越过端点后重新全部稳定。端点有不衰减模式; 有根1, 在1以上有实根。 直接由 得到相同公式。
特别地, 时根为 。当 ,两实根在 ; 为重根 ,其 模式也衰减; 时共轭根模为 。所以稳定区间恰为 。
取合法启动 ,之后 ,。 在零延迟时每步乘 ,却在一阶延迟时具有模 的两个根,真实序列开始为
非零初始状态激发至少一个不稳定模式,故不可能趋于0。这是真正的不稳定反例,不只是没有通过某个充分条件。边界 则产生周期 :在当前 时,版本1的旧梯度恰为零,当前目标差仍为 。旧梯度为零不能认证当前点。
将 从 移到 也会改变结论:前者稳定,后者超过 。此时 在 有唯一实根;对 ,最小值 ,故另外两根必为共轭对。负实根的模小于一,而已越过式(10)的首次外向交圆边界,故共轭对不稳定。合法夹紧启动的 不等于这个负实根乘 ,所以它也激发不稳定共轭模式。为 改取 ,则重新满足任意变延迟的充分保证。
即使满足式(2),目标仍可短暂回升:、、、、 时,、,所以 。此时带权能量继续收缩,不能删去历史项改说目标单调。
哪些工程变化需要另一个定理
坐标来自不同版本时不存在式(5)的单个 ;覆盖当前值会改变式(1);梯度压缩、舍入误差、噪声、客户端局部目标或局部多步也会产生本页没有控制的项。延迟无界时有限窗口恒等式失效。全局 也不能由若干采样点的曲率估计替代。这里没有把“异步”当成免检标签,更没有声称任意调度都带来加速。
推论与应用
预算与当前点停止证书
已知合法上界 ,若 ,无需更新;若 ,足够的提交数为
不知道 时不能偷偷计算 。一个合法替代是另查初始当前梯度,取 ;这次查询必须计费,若首个梯度完整缓存且可复用则只计一次。运行后新查一次当前 的精确梯度,能认证
这是新的当前点证书;旧梯度日志不自动提供它。由于式(3)对所有整数 路径式成立,在同一有效模型内选择某个已提交时刻不会引入统计多次检验问题;但不能据此把有噪声验证也升级为任意停止保证。
保留 ,每次取式(2)的最大充分步长: 分别得到 ,,式(11)预算为86、130、263次提交。延迟上界从2变5后,旧步长和130次预算都不再由本计算认证;减小步长修复条件,还须重算预算。
版本不变量与完整费用
简单回放器保存最近 个带版本号的完整向量,空间 。每次提交先核对结果的版本号、完整快照与年龄,再把 加到当前值,产生新版本,最后淘汰过旧快照。历史证书另存最近 个位移即可;移位的权重属于证明,不改变更新。
次提交在本页回放模型中需要 次整梯度求值及 向量运算;本页六步示例重复读取同一点时仍逐次查询,不暗算免费缓存。这里 仅指更新本身;教学读数器逐轮重算窗口能量,另需 历史诊断运算。真实异步系统若还计算了过旧而被拒绝或最终未用的梯度,这些查询也须计入实际总费用,不能只报被接受的 次。初始证书与最终当前梯度验证按实际复用另加。有限和整梯度需要遍历全部分量,不能计成一条SGD样本。保留全部教学日志另需 空间;它不是上述滚动回放器的必需状态。真实并行执行还须另报在途梯度、快照复制、通信量与墙钟时间。仅给 不能推出并行加速比。
完整练习与答案要求从版本日志重算精确轨迹、历史能量和查询账,构造错误覆盖写入及过时停止,再改变延迟上界重配预算。有理数读数器只依赖Python标准库,有限检查支持复算,不替代上面的全局证明。