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算法Algorithm

Robbins–Monro 随机逼近

Robbins–Monro stochastic approximation · Robbins-Monro algorithm · 随机逼近求根

只观察带噪函数值时逐步寻找向量方程的根,用衰减步长和补偿上鞅证明收敛,并检验稳定性与偏差条件。

形式陈述 ​

设要解的方程为 h(x)=0,其中 h:Rd→Rd。每次给出查询点 xt,只能观察

Ht+1=h(xt)+ξt+1.

Robbins–Monro递推从 x0 开始,按事先规定的正步长更新

(1)xt+1=xt−ηtHt+1.

让 Ft 包含初值和前 t 次观察。噪声条件是 E[ξt+1∣Ft]=0;它表示用已知历史平均后,观察方向仍指向 h(xt)。查询器不必知道根;算法也不需要精确求值 h。传统标量问题 m(x)=a 可令 h(x)=m(x)−a。

“步长逐渐变小”还不足以保证成功。下面给出一个条件清楚、可以完整证明的向量版本。

强单调、Lipschitz版本 ​

假设存在根 x∗,且有常数 μ,L>0 使所有 x,y∈Rd 满足

⟨h(x)−h(y),x−y⟩≥μ‖x−y‖2,‖h(x)−h(y)‖≤L‖x−y‖.

第一条称强单调性,它保证方向总体上把点拉向根,也立即保证根唯一。再要求 E‖x0−x∗‖2<∞,噪声适应历史且满足

E[ξt+1∣Ft]=0,E[‖ξt+1‖2∣Ft]≤σ2<∞.

若步长为确定序列,且

(2)∑t=0∞ηt=∞,∑t=0∞ηt2<∞,

则式(1)满足 xt→x∗ 几乎必然。常用 ηt=c/(t+1)α,c>0、1/2<α≤1,满足这两项要求。定理允许前面有限次较大步长,因为后续证明只需从某个确定时刻起建立收缩;若实际计算已经溢出,则必须报告数值失败,不能靠实数模型的定理继续运行。

把噪声预算补到势函数里 ​

写 Vt=‖xt−x∗‖2。展开平方并冻结历史,噪声交叉项为零,得到

(3)E[Vt+1∣Ft]≤(1−2μηt+L2ηt2)Vt+σ2ηt2.

有限初始二阶矩和这个递推保证每个 Vt 可积。式(2)推出 ηt→0,故从某个 t0 起有 L2ηt≤μ。定义

Wt=Vt+σ2∑k=t∞ηk2,t≥t0.

它非负可积,而且

E[Wt+1∣Ft]≤Wt−μηtVt≤Wt.

因此 Wt 是非负上鞅。鞅收敛定理使它几乎必然有有限极限;补偿尾和趋零,所以 Vt 也有极限。另一方面,将最后一个不等式取期望后求和,给出

E∑t=t0∞μηtVt≤EWt0<∞.

非负和的期望有限,故该和几乎必然有限。若某条路径上 Vt 的极限为正,它最终至少为某个正数,而 ∑ηt=∞ 会迫使同一个和发散。矛盾说明极限只能为0,完成证明。

这是一般随机逼近理论中的一个充分条件版本。它以全局强单调和统一噪声二阶矩换取直接证明;仅有局部吸引性、增长型噪声或多个根时,需要另证迭代不逃离有效区域及根选择。

直觉

两项步长和控制两种累积效应。∑ηt=∞ 保留足够长的有效行程,让初始偏差有机会被消除。∑ηt2<∞ 则限制条件无偏噪声经平方距离累加的总量。证明中的 Wt 把未来尚未花掉的噪声预算提前记入,得到平均意义下不再增加的量。

这也解释了“轨迹最终稳定”与“有限预算足够好”是两件事。几乎必然收敛说明每条典型路径最终接近根,却没有单凭式(2)给出一个统一、可用的有限停止轮数。需要预算保证时,应继续计算递推常数或使用特定模型的误差公式。

例子与边界

递推均值就是最简单的带噪求根 ​

设 Y1,Y2,… IID,均值 θ、方差 σ2<∞。求根 h(x)=x−θ,查询器返回 Ht+1=xt−Yt+1。取 ηt=1/(t+1),则

xt+1=tt+1xt+1t+1Yt+1.

首步系数把 x0 消掉,归纳得到 xT=T−1∑j=1TYj,故 ExT=θ、E(xT−θ)2=σ2/T。大数律在这个特例中也给几乎必然收敛。观察 (3,−1,2,0) 时,四个迭代依次为 3,1,4/3,1;最后结果正是样本均值。

每轮读取一个新观测,累计 T 次oracle调用;标量更新和存储为 O(T) 与 O(1)。若目标是二次损失 f(x)=(x−θ)2/2,其期望目标差为 σ2/(2T)。如果再把这些已经是累积均值的 xt 平均一次,早期样本会获得较大权重,详见迭代平均中的精确反例。

一般求根不必来自某个目标的梯度 ​

取

h(x)=Ax,A=(1−111).

有 ⟨Ax,x⟩=‖x‖2、‖Ax‖2=2‖x‖2,故 μ=1,L=2,根为0。A 不对称,因此它不是任何二次可微标量函数的梯度矩阵;递推仍可求这个根。无噪声、步长 1/2 的前两步从 (1,0) 到 (1/2,−1/2),再到 (0,−1/2),方向旋转但距离缩小。

这个特定矩阵与步长恰好给出纯旋转关系隐式步中也出现的两点轨迹,但本页操作是对 I+J 的显式更新,收敛依据是强单调性;旧页分析的是对 J 的隐式平衡。

在有条件无偏有限方差噪声时,换成满足式(2)的步长即可使用上面的收敛证明。这个例子说明随机逼近拥有独立于最小化的求根接口。反过来,若 h=∇f,强凸性给出所需强单调性,再加梯度Lipschitz便成为SGD的一组充分条件。

三个条件分别怎样失败 ​

只保留“小步长”,可能走不够远。对无噪声 h(x)=x,令 ηt=1/(t+2)2。由于

∏k=2T+1(1−k−2)=T+22(T+1),

有 xT→x0/2,一般不是根。这里平方和有限,但步长总和也有限。

只保留无限行程,也可能永远被噪声推动。对 h(x)=x、独立公平 ξt=±1,常步长1给 xt+1=−ξt+1,轨迹不会收敛到0。此时 ∑ηt2=∞。这个例子证明所列条件不能随意删去;它没有声称每一个不平方可和的步长都必然失败。

方向不稳定时,两项步长和都满足也无济于事。取 h(x)=−x、无噪声和 ηt=1/(t+1),则 xT=(T+1)x0。这里根存在唯一,但强单调的方向相反。若噪声有固定非零条件均值 β,求解的也会变成 h(x)+β=0,而不是原方程。

推论与应用

输出与误差证书 ​

有限运行应指定总调用数,输出 xT 和状态;向量更新需 O(Td) 算术及 O(d) 工作空间,oracle的内部成本另计。单次 ‖Ht+1‖ 很小可能只是噪声抵消,不是根残差证书。如果有独立的精确 h(xT),强单调性和Cauchy–Schwarz给

‖xT−x∗‖≤‖h(xT)‖/μ;

只有带噪残差时,则应先给其条件置信半径再换算,验证查询也属于预算。

TD(0)与其他序贯算法也出现这类步长条件,但异步状态访问、Markov数据及投影结构各有额外责任,不能仅因更新外形相似就自动套本页的全空间强单调定理。读实际算法时,先写清它在平均后逼近哪个方程,再检查噪声条件和稳定性,会比只检查 ∑ηt 更可靠。

参考资料
关系图谱14 个相邻概念 · 2 类关系

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