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定义Definition

Polyak–Łojasiewicz 条件

Polyak–Łojasiewicz condition · Polyak-Lojasiewicz inequality · PL inequality · 梯度支配条件

以梯度范数平方控制全局目标差,允许非凸和非唯一解,并给出确定性梯度下降的几何函数值证书。

梯度很小,通常只说明当前位置的一阶变化不大。要把它解释为“距离全局最优值已经很近”,还需要把斜率与剩余目标差联系起来。PL条件正是这条联系;它不要求曲面处处向上弯,也不要求最小点只有一个。

形式陈述 ​

定义与可以直接报告的量 ​

考虑无约束优化问题minx∈Rdf(x),d≥1,f可微,最小值f∗有限且被取得。固定欧氏内积及相应梯度。若存在μ>0,对全部x都有

(1)12‖∇f(x)‖22≥μ(f(x)−f∗),

就称f满足参数为μ的Polyak–Łojasiewicz条件,简称PL条件。这里μ是经过证明的下界常数;有限个样本点上式(1)通过,不能证明它在整个空间成立。

式(1)立即给出函数值证书

(2)0≤f(x)−f∗≤‖∇f(x)‖222μ.

因此梯度为零的点必是全局最小点。给定目标精度ε>0,只需检查‖∇f(x)‖2≤2με。计算这份后验上界不需要知道f∗的数值,但需要真实梯度及有效的μ。

光滑条件下的梯度下降 ​

另设梯度在整个空间为L-Lipschitz,取L>0和0<μ≤L。执行精确梯度下降

xk+1=xk−1L∇f(xk).

则

(3)f(xk)−f∗≤(1−μL)k(f(x0)−f∗).

参数μ可以向下缩小而仍有效。对非恒定的全局光滑PL函数,实际上必有μ≤L:下降引理与f∗≤f(x−∇f(x)/L)给‖∇f(x)‖2≤2L(f(x)−f∗),再在某个目标差为正的点与式(1)比较即可。恒定函数的目标差处处为零,直接结束,不用讨论一个负的“收缩因子”。

直觉

为什么一条斜率下界足够 ​

下降引理给一次更新的实际收益:

f(xk+1)≤f(xk)−12L‖∇f(xk)‖2.

式(1)又说,只要还剩目标差hk=f(xk)−f∗>0,梯度就不能比2μhk更小。两式合起来是

hk+1≤hk−μLhk.

反复代入便得到式(3)。证明里没有用切平面的全局凸下界;真正需要的是每步可支付的下降量与剩余差之间有固定比例。

“几何率”指目标差乘上一个小于一的固定因子,并非说所有坐标都按同一比例收缩。若极小点组成一整条直线,同样可以迅速降低目标,却不能据此声称到达这条线上的某个指定点。

强凸性为什么足够但不是定义 ​

若f在全空间可微且$\mu$-强凸,其一阶下界是

f(y)≥f(x)+⟨∇f(x),y−x⟩+μ2‖y−x‖2.

令y为一个最小点,再把右边的二次表达式向所有位移取下界,得到

f∗≥f(x)−‖∇f(x)‖22μ.

这就是式(1)。强凸性控制任意两点的弯曲;PL只要求当前位置的梯度足以解释它与最优值的差。后者可以在缺少前者时成立。

例子与边界

非唯一解仍有精确PL常数 ​

令f(x1,x2)=x12/2。则f∗=0,∇f=(x1,0),式(1)以μ=1取等。所有(0,c)都是最小点,所以f不强凸。

从(1,100)以步长1更新得到(0,100),目标误差立即为零;它到指定最小点(0,0)的距离仍为100。式(2)认证的是目标差,不能把它的右侧直接改名为到任意所选最小点的距离。

一个全局光滑、确实非凸的例子 ​

考虑

(4)f(x)=x2+32sin2⁡x,f′(x)=2x+32sin⁡2x,f″(x)=2+3cos⁡2x.

f≥0且仅在x=0取零。二阶导数位于[−1,5],所以梯度是5-Lipschitz;在x=π/2处二阶导数为−1,故它非凸。

下面不靠绘图估计PL常数。对0≤x≤π/2,sin⁡2x≥0,因而f′(x)≥2x≥x。对x≥π/2>3/2,有f′(x)≥2x−3/2≥x。f′是奇函数,于是全实轴上|f′(x)|≥|x|。再用|sin⁡x|≤|x|:

f(x)≤52x2,12|f′(x)|2≥12x2≥15f(x).

因此μ=1/5有效。步长1/5的GD有收缩上界24/25;负曲率没有破坏这份全局函数值证明。

光滑凸也可能没有全局PL常数 ​

取f(x)=1+x2−1。它凸、最小值为零,且f″(x)=(1+x2)−3/2≤1。但|f′(x)|≤1,而f(x)→∞。若式(1)存在固定μ>0,左侧至多1/2,右侧却无界,矛盾。

只在某个区域内成立的PL条件,只能用于留在该区域内的迭代。随机梯度也不能直接放进式(2):一个偶然接近零的估计量不证明真实梯度小。若已有确定性误差界‖g~−∇f(x)‖≤δ,三角不等式才给可用上界(‖g~‖+δ)2/(2μ)。

推论与应用

预算与停止 ​

若知道初始目标差上界H0≥f(x0)−f∗,记ρ=1−μ/L∈(0,1)。当H0>ε时,充分预算是

k≥⌈log⁡(H0/ε)−log⁡ρ⌉.

若H0≤ε,零步已足够;若ρ=0,一次更新达到最优值。预算每轮计一次梯度与O(d)向量运算,后验停止检查若需在新点另求梯度,也应计入查询数。

式(4)从x0=1出发有H0=5/2。用有理数比较(5/2)(24/25)k与1/100,最小充分整数为136。它是这份保守上界首次认证的预算,不是实际轨迹首次达标的轮数;实际梯度后验证书可能更早通过。

近似梯度的误差底 ​

以g~k=∇f(xk)+ek执行步长1/L。下降引理展开平方给

hk+1≤ρhk+‖ek‖22L.

若每轮‖ek‖≤δ,递推求和得到

hk≤ρkh0+δ22μ(1−ρk).

因此恒定误差预算一般留下非零误差底。以一维f(x)=μx2/2、L=μ、固定误差ek=δ为例,一步后停在−δ/μ,目标差恰为δ2/(2μ),说明这一项有实际机制。

历史更新的综合证书继续比较PL的函数值预算、重球的二阶模态、Anderson真实残差与删原子后的可行gap;这些停止量各自有明确前提。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 2 类关系

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