在平缓方向,连续几步往往朝同一边移动。重球法把上一位移保留下来,希望减少这种方向上的拖延。代价是算法拥有两份位置状态:即使当前位置相同,不同的上一位置也可能产生完全不同的下一步。
形式陈述
两个状态与一次当前梯度
给定可微目标、,步长、动量、两初始状态及容差和预算,重球法迭代
它在当前梯度步理路梯度下降法Gradient descent method · Euclidean steepest descent method反复沿当前负梯度方向取步以降低可微目标的基础一阶算法。上加了历史位移。常用表示初始速度为零;也可以明确给定非零初始速度。每轮一次梯度及向量运算,状态空间为。输出当前点、真实梯度、已用查询、两状态初始化与退出原因。
时更新式退化成常步长GD。一般可微目标上,式(1)本身没有全局收敛承诺;下面先给出能完整判定的二次模型。
正定二次模型的稳定域
设
式(2)使用正定矩阵的Loewner界理路正定与半正定矩阵Positive definite matrix · Positive semidefinite matrix · PSD matrix由二次能量严格为正或非负定义的实对称与复 Hermitian 矩阵。,规定同一个二次模型的曲率范围。
最小点为。对于整个谱区间内的二次模型族,以及任意两初始状态,式(1)收敛当且仅当
这里“当且仅当”针对允许出现特征值的整个模型族。若某个具体矩阵的最大特征值严格小于给定松上界,式(3)仍充分,却不再是该矩阵最宽的允许区间。
当时,令
这组参数使最坏二次模态谱半径达到,并在常数、中最小。谱半径描述渐近指数因子,不承诺每一步误差都小于初始误差乘。
直觉
每个特征方向都是二阶递推
对实际使用有限维谱定理理路有限维谱定理Finite-dimensional spectral theorem有限维复正规算子存在正交规范特征基;实数情形对应自伴算子。,在正交特征坐标里令误差分量为、对应特征值为。式(1)化为
试代,得到特征多项式
两个不同根给两个指数分量;重根一般给。所以两根绝对值都小于1,恰好保证任意初始状态的这个模态趋零。
不跳步的稳定性判断
记。若两根在单位圆内,它们的乘积,并有
反过来,假设且这两个值正。非实根共轭,模长为。若根都为实数,一个根越过1而另一个留在1以下会使;两个都至少为1又会使乘积至少为1。负端点同理由排除。因此实根也都在。把遍历便得到式(3)。
在上端边界,已经是一个根,某些初始状态永久交替。根恰在单位圆上不能归入收敛区。
与Nesterov的查询点不同
Nesterov加速梯度理路加速梯度法Accelerated gradient method · Nesterov accelerated gradient method以外推点和递推动量整合历史梯度,使光滑凸优化达到最优的一阶函数值阶数。先外推,再查询;重球在查询,之后才加历史位移。即使两者都出现相邻点差,查询位置和误差递推仍不同。Nesterov的特定势函数证明不能因为“都有动量”就搬给式(1)。
例子与边界
谱半径小,前几步仍可上升
取、、。式(4)给、、。两个端点模态是重根与。由和求出
例如,所以,而。第二坐标越过最小点的瞬态很大,随后仍因而衰减。
重球瞬态与非二次三周期 图左使用式(7)的真实目标值;图右使用下一例指定的两初始状态。它们采用同一组,但第二个目标没有固定Hessian,不能沿用左侧的独立模态递推。
强凸光滑也不能无条件沿用二次最优参数
定义连续可微函数
两处分界的函数值和导数都相接。导数分别是;对任意,逐段积分其斜率给
故为1-强凸、梯度为25-Lipschitz,唯一最小点仍为0。使用与上例相同的,设
这里。以启动,直接代入式(1)给,之后周期重复。例如第一步为
另外两步同样精确成立。这份反例使用非零初始速度,足以否定“所有初始状态都在强凸光滑类上收敛”的无条件断言。它没有证明任何给定的零初速度启动都会失败。三个循环点都不是最小点,有限容差也不能把这条周期轨迹解释成收敛。
推论与应用
二次最优参数的证明
式(4)代入后,从线性变到。因此式(6)的两根要么是端点重根,要么是模长的共轭根,最坏谱半径至多。
再证没有另一组常参数能把整个区间的谱半径降得更小。设所有根的模长至多。因,必有,且乘积给。在实点处,多项式非负:实根时是两个同号因子的乘积,复根时是模平方。分别对使用,得到
所有分母为正,所以
整理得,完成最优性证明。若候选参数本就不稳定、谱半径至少1,更不可能优于。若,,取一次到解,单独处理即可。
怎样报告可用精度
对式(2),真实梯度给
这份误差证书由目标几何保证,与候选是重球、GD还是手工产生无关。对式(7),还可直接计算完整目标表达式
首次达到在;只取会漏掉重根多项式因子,产生过早的认证。常参数调优解决的是特定二次族的渐近最坏因子,不能替代真实残差检查、启动状态或模型类别。
参考资料