单调场可以主要沿等高方向旋转,缺少普通前向步所需的余单调性。Tseng分裂先做一次前向—后向预测,再计算新旧场值之差来校正。它减少一次投影式隐式调用,但代价是校正点不一定保留预测点的可行性。
形式陈述
一次预解之后,再补一份场差
设 为极大单调算子理路单调算子与极大单调性Monotone operator · Maximal monotone operator · 极大单调算子用图上的内积不等式统一凸次微分与旋转关系,并以极大性保证稳定隐式步对每个输入都有唯一解。,全域单调且 -Lipschitz,。假设 非空。固定 ,从任意 执行
的预解全域单值,所以预测步可执行;全域可求值则允许主点离开 。本模型只要求单调Lipschitz,不要求普通前后分裂理路前向—后向算子分裂Forward-backward splitting · Forward backward operator splitting把极大单调包含拆成一次便宜的显式余单调步和一次预解步,以直接Fejér不等式证明收敛,并用非梯度旋转和步长端点说明边界。中的余单调性。
有限维中,与收敛到同一个零点。对任意 ,还有
这控制前后预测位移的最小平方,不是把每一步的目标误差或距离都界成 。
直觉
校正点等于沿一个真实包含残差前进
一轮中记 。由预解关系,
因此
算法先在预测位置 拼出一个属于真实平衡关系的残差,再把这份残差用于原主点 。这里 不在 中;位置下标不能省略。
下降估计为什么只需Lipschitz
若 是零点,与各自单调,故它们的和也单调,并有 。将式(3)展开,得到恒等式
Lipschitz性随即给出
这一步不需要声称整个更新映射对任意两点非扩张;式(4)只比较更新点与真实解。步长使余量严格为正,求和便得到式(2)、有界轨道及 。又有 。
有限维有界序列的聚点理路Bolzano–Weierstrass 定理Bolzano–Weierstrass theorem实数空间中的每个有界序列都存在收敛子列。存在。取 ,则 ;由 和预解连续,,故它是零点。到这个零点的距离由式(4)非增,并有子列趋零,因而整列收敛。
例子与边界
全空间旋转与外梯度的重合
令 、,其中 。,所以
这恰好是全空间的外梯度更新理路外梯度法Extragradient method · Korpelevich method在同一原锚点上先预测再校正,用两次场求值和投影处理单调旋转,证明有限维点收敛及平均预测点的有界域间隙率。。其主点平方长度每轮乘 ,在 时收缩。此处相同是因为预解为恒等映射,不能据此把一般两种算法认作同一个方法。
预测可行,校正可能不可行
取 、,则 为逐坐标取正部。令
这是常向量加顺时针旋转,单调且 。为VI解,因为 在每个可行方向上的内积非负。
从 取 ,有
主点已离开 ,预测点仍在 。同一数据的两投影外梯度第二步为 ,与Tseng校正不同。因为本页的 在全空间有定义,下一轮仍可合法执行;如果场只能在可行集上查询,这种实现便超出模型。
一轮预算可以实算:,,式(4)给 ;实际为 。界不必每次取等,仍提供稳定保证。
少一次预解不等于没有代价
两种方法每轮都需要两次场求值;Tseng只需一次预解,外梯度对约束VI需要两次投影。如果应用要求每个主点都可行,不能仅按调用次数选择Tseng;可以报告可行的 ,但相应误差证书也必须定位在 。
在旋转例的端点 ,主点依然四周期,说明严格步长条件不能一般删除。没有零点或改用非单调场时,式(4)的关键内积也未必非负。随机噪声与近似预解产生的误差并未包含在当前证明中。
推论与应用
从最小预测位移到可复核残差
由式(3)及Lipschitz性,
若保存前 轮中最小预测位移对应的 ,便能给这一个预测点的明确残差及式(2)的上界。只用最后一轮,或者只输出没有除以步长的主点位移,都不是同一份有限轮证书。
预测位移为零时,立即给 。反过来,若主点恰好不动 ,由式(1)可得 ;严格步长迫使 ,因此也认证零点。这项判据同样用到了正确步长。
每轮有一次 、两次 以及 向量运算和工作存储。保留最小残差候选只多存一份点对。若 是凸次微分,预解可由凸近端理路近端算子Proximal operator · Proximity operator在降低凸函数值与保持靠近输入点之间取得精确平衡的单值算子。实现;若为法锥,则用投影。单独调用这些工具都很便宜,不代表一般包含关系自动有目标值或可计算的原对偶gap。
参考资料