形式陈述
求解 。 为闭凸集, 凸且在所需点有有限次梯度; 为 proper 闭凸结构项,允许编码额外约束。最优点 存在。沿用镜像下降理路镜像下降法Mirror descent method · Bregman gradient method用强凸镜像映射生成的 Bregman 几何执行线性化损失更新的约束一阶算法。的定义域约定: 在镜像内域可微,并在有效可行域上关于范数 为1-强凸; 的第二槽必须可微,第一槽允许边界延拓。初始点 事先固定,属于 及镜像可微区域。所有子问题取得解,迭代点仍在可微区域及 内。
历史 包含当前点 。本轮 oracle 返回 ,要求
这里是整个随机次梯度的二阶矩,不是中心化噪声方差。条件期望理路条件期望Conditional expectation以信息分组的加权平均建立条件期望直觉,再连接测度定义、最小均方预测、塔式性质和可计算反例。相对于全部旧历史;仅有各轮边际无偏不够。假设有关随机量可积、更新可测。给定固定预算 、固定 ,执行
输出更新前平均点、实际 oracle 次数、精确 Bregman 子问题次数、参数及保证类型。若有已知上界 ,以及已知有限常数 对有效可行域成立,记 ,则
时取 ,前两项合为 。退化情况使用未优化式,不把零步长代入分母。本结论不要求 光滑,也不把 的次梯度并入随机 oracle。
直觉
随机项决定本轮向哪边移动,结构项在新点精确计价,镜像几何决定移动成本。三者的职责不同。用负熵作镜像,并不表示优化目标已经含熵正则;只有式(2)中另写的 才改变目标。
复合更新还有一个容易漏掉的时间错位:随机次梯度在 查询,结构项却在 评价。把两者直接当作同一个点的 会遗漏首尾差 。式(3)用 为这项付账,因此明确返回 的平均。
随机方向、结构项与平均输出的不同位置 随机近端梯度理路随机近端梯度Stochastic proximal gradient · Stochastic forward-backward method对光滑项使用历史条件无偏梯度,对结构项精确做prox,以噪声方差和平均输出建立固定预算保证。使用光滑项的中心化方差、欧氏 prox 和更新后平均。本页使用可能不光滑的 、原始对偶二阶矩与非欧氏 Bregman 子问题。即使欧氏情形的某次更新恰好相同,两页的假设、输出及保证也不能互换。
例子与边界
两坐标熵正则:算更新,也算输出
在概率单纯形 取 、,。负熵关于 为1-强凸,其对偶范数为 。 且 各坐标为正时,拉格朗日一阶条件给
取 、,oracle 每轮独立等概率返回 或 。它的条件均值是 ,因此 。可取 、;,故 。
若前两次返回依次为 、,则
最后一个状态 不进入两轮的更新前平均。目标最优点恰为 ,;直接展开得到 ,所以该条路径的输出误差是
这是某条路径的实际目标差;式(3)是重复运行的期望上界。一步输出 ,并非新点。即使另看新点, 也不等于先把 oracle 平均后做式(4)所得的 。无偏方向经过非线性映射后不能仍称无偏点。
维数优势究竟来自哪里
在 维单纯形均匀初始化,若 ,熵镜像给 、。 时,式(3)为 。采用欧氏镜像且仍只有相同的逐坐标信息,则 、,相应界为 。
例如 ,两界约为0.03717与0.31607。比较使用相同的信息和相同查询次数;是否节省运行时间,还取决于两个子问题的实现。不能把 的小常数直接填入欧氏证明。
若初始某坐标为零,乘法形式无法恢复它。例如线性损失的最优顶点恰在这个坐标上,算法可以永远错过最优解。若 无有效下界,则 未定义,不能把首尾项静默删掉;若只能近似解式(2),残差必须另进证明。
推论与应用
完整的一步式和望远镜证明
对子问题的最优性使用 Bregman 三点恒等式,任取有效比较器 ,有
将线性项改成 ,由强凸性及对偶范数 Young 不等式,新增位移项与负散度之和至多 。再加上 ,并用凸性 ,得到
最后的内积只含历史可测的 ,其条件期望为零。取 ,对 轮求和:Bregman 势与 首尾项分别消去;丢掉终端非负散度,以 控制剩余结构项。再用Jensen 不等式理路Jensen 不等式Jensen's inequality凸函数作用于平均值不超过函数值的相同加权平均。把平均函数值转为平均点的函数值,除以 就是式(3)。证明没有假设每轮目标下降,也没有处理任意停时。
采样与费用接口
固定有限和可用非均匀分量采样理路非均匀随机梯度的采样预算Importance-sampled stochastic gradient · 方差感知分量采样为有限和梯度选择可预测的抽样分布,优化可验证的二阶矩上界,并区分调用次数、概率下限和非等价的工作量预算。生成满足式(1)的方向;关键是其二阶矩必须按本页对偶范数计算。每轮通常有一次分量调用、一次 Bregman 子问题和 的平均累加;式(4)的全向量表示需要 算术及指数运算,不能因只抽一个数据分量便称为常数时间。
只有有限 阶矩而无二阶矩时,可改读裁剪镜像的高概率预算理路裁剪随机镜像的高概率保证Clipped stochastic mirror descent · 原始矩裁剪优化证书在有界可行域和原始条件p阶矩下,用两个方差敏感鞅预算共同控制裁剪更新与目标误差,给出固定预算高概率证书。。它会承认裁剪偏差并另证噪声集中;式(3)本身没有提供那个结论。
自测与答案
- 在式(4)令 ,哪一项消失?答案:旧坐标的幂变回1,得到通常的乘法权重;镜像几何仍在,目标熵正则才消失。
- 若 ,最优固定步长及期望界是多少?答案:,界 。把 漏掉会报出更小但未被此证明支持的数。
参考资料