形式陈述
面对最小化问题理路优化问题Optimization problem在可行解集合上最小化或最大化目标函数的计算问题。 ,有时一次只能读取一条样本的梯度。随机梯度下降把这份廉价、有波动的方向用于更新。设 非空闭凸, 在其邻域可微,初值 ,预算为整数 。第 步开始前的全部信息记为 ;当前点 已由这份历史决定。给定步长 ,调用随机梯度查询器(oracle)获得 ,再计算
是欧氏最近点投影,其存在唯一性见闭凸集投影定理理路Hilbert 空间投影定理Hilbert projection theorem · Projection theoremHilbert 空间中每个闭线性子空间都给出唯一的正交分解与最近点投影。;无约束时它就是恒等映射。输入还包括采样规则、随机源和输出规则。常见输出是末点 ,或更新前点的平均 ;下面的定理会指明使用哪一个。
无偏性必须相对于已经发生的事
本页的无偏接口是
这里用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。冻结过去,再平均本次新随机性。 是目标的梯度理路梯度Gradient标量函数微分在内积下对应的向量。。各轮 通常相关,因为后一个查询点由前面的结果决定;式(1)并未要求整列梯度独立。步长也应在本轮查询前确定,不能看完 再挑一个有利方向并仍沿用原分析。
两个常见实现需要不同的访问权限。
- 新样本流:,每轮抽取独立于历史的 ,返回 。还须核实梯度与期望可以交换,例如在每个查询点的邻域有可积的梯度上界;仅写成期望目标不自动得到式(1)
- 固定有限和:,数据先固定;每轮独立均匀抽取 ,返回 。这里的概率来自算法抽样,数据本身不必IID
每次分量或样本梯度求值记一次查询。单样本运行 步耗 次查询;显式向量更新和流式平均另需 算术、 状态,投影、采样和模型反向传播的代价分别计入。oracle返回非有限值、投影求解失败或投影误差超出预设容差时,应停止并报告失败,不能继续声称下述精确递推保证。预算耗尽时应返回所约定的点、已用查询数与“预算结束”状态;除非另有证书,不把这个状态改写成“已达到容差”。
一个可直接复算的凸期望界
进一步假设 凸理路凸函数Convex function函数在任意凸组合处不超过相同权重下函数值的凸组合。、存在极小点 , 固定且 ,并且
对每步成立,其中 为已知常数。取固定步长 ,输出更新前平均 ,则
证明从投影不扩张开始:
冻结历史后,式(1)把交叉项换成 ;凸性又使它至少为 。取全期望并把 步相加,中间距离消去,得到平均目标差的上界。最后使用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。,把目标值的平均换成平均点的目标值,即得式(2)。有界条件二阶矩同时控制迭代距离的可积性,故这些期望运算有意义。
取 ,两项平衡为 。要保证期望目标差至多 ,充分预算为 。它需要先知道预算;它既不是每条轨迹的确定界,也没有声称末点同样满足这个常数。
距离势函数与在线梯度下降理路在线梯度下降online gradient descent · OGD在每轮凸损失揭示后走一个投影次梯度步,并以距离势函数控制 regret。共用同一代数机制。区别在于本页将固定目标的随机oracle条件化;在线方法逐轮比较已经揭示的不同损失。新样本IID模型还可通过Online-to-Batch转换理路Online-to-Batch 转换Online-to-batch conversion · 在线到批学习转换利用当前在线预测器只依赖过去样本的独立性,把平均在线遗憾转为批学习的期望超额风险。得到风险保证,但重复抽取固定训练集只是在优化经验目标。
例子与边界
带噪二次模型的精确噪声底
取 ,,oracle 为 ;噪声独立同分布,均值0、方差 ,初值固定。常步长 下令 ,则
独立性消掉交叉项,所以
因此末点期望目标差的极限为 。这是精确值,不是松上界;只要 、步长固定,增加轮数不会把它压到零。
例如 ,有 ,于是
两步后的均值为 、方差 、二阶矩 ,期望目标值 。如果这两次噪声恰为 ,实际轨迹却是 ;一次实现值与总体期望承担不同的描述任务。
取 时,,有噪声时方差每步增加 ;更大的步长还会放大初值。因此稳定区间的端点也不能纳入式(3)的有限噪声底结论。
小批量:先固定同一个查询点
在同一个 处取 个条件独立、条件无偏梯度再平均。如果每个噪声条件二阶矩至多 ,批平均噪声的条件二阶矩至多 。这只缩小噪声项;完整梯度二阶矩是
所以不能把式(2)中的整个 无条件除以 。
对固定向量 ,记 、。有放回独立抽 项的均值方差为 。若均匀无放回抽一个大小 的子集,且 ,则
证明只需展开均值平方:每项中心化平方期望为 ,两项不同抽取的内积期望为 ,因为所有不同索引内积之和等于 。相加便得有限总体修正; 时直接为零。
例如四个标量梯度为 ,均值2、,。有放回方差 ,无放回方差 。若抽一项后复制两次,方差仍为5:复制并未产生新信息。逐个样本更新并改变 的随机重排理路随机重排梯度法Random reshuffling · Random reshuffling gradient method · 随机重排每轮重新排列有限和分量再依次更新,区分单步条件偏差与整轮抵消,并精算重排、固定顺序和有放回抽样的误差。也不满足“固定同一个查询点”的推导。
批量 、轮数 消耗 次梯度查询。把式(3)的 换成 ,仍需同时把轮数换成 ;噪声底降低的代价,是同预算下初值衰减的轮数更少。并行设备可能缩短墙钟时间,但这需要另报硬件与吞吐量。
无偏如何真的失效
边际均值零还不够。例如只抽一次公平符号 ,然后每轮都令 。每项单独都有均值零,但从 做首步后 已揭示该符号,下一步有 ;平方递推中的噪声交叉项不能再消掉。新鲜随机性或真正的条件均值假设在这里承担实质工作。
若 ,假设 直径至多 、,其中 为确定上界,而总二阶矩仍不超过 ,重复式(2)的证明得到
增加样本只压低随机波动,不自动压低最后一项。例如 的二次模型会围绕 而不是0波动;均值偏移给原目标留下 的误差。
裁剪也能引入偏差。在某一点,未裁剪梯度以概率 取 、以概率 取3,其均值为0;裁到 后均值为 。DP-SGD理路差分隐私随机梯度下降DP-SGD · Differentially private SGD逐样本裁剪、抽样与高斯扰动组成的训练算法,并将实际采样规则和全部训练轮次纳入隐私核算。需要逐样本裁剪来限制隐私灵敏度,随后加均值零的噪声也不会恢复被裁掉的均值。隐私核算与本页的优化保证须分别检查。
只有p阶矩时,裁剪要同时付偏差与方差
还可以从式(5)得到一个简单的重尾版本。令 ,原始oracle 条件无偏,并假设的是原始梯度的非中心矩 ,。这比只限制噪声的中心矩更强,要逐点核实。将它裁成
零向量规定保持为零,阈值 。逐点使用 与 ,便有
在直径 的闭凸集上,式(5)因此变成
固定预算后取 、,得到 。例如 ,阈值100、步长0.01,三项分别为0.05、0.05、0.2,总上界0.3。原始二阶矩此时可能不存在,裁剪使实际更新有可控二阶矩,同时必须保留非零偏差项。
这一小节提供固定预算期望界;更精细的重尾高概率算法还需要相应集中分析和阈值方案。它与DP-SGD为了控制每条记录隐私灵敏度而裁剪的用途不同,不能从阈值有限直接推断已有隐私或置信保证。
推论与应用
停止时到底承诺了什么
若某个非负目标差 满足 ,Markov不等式理路Markov 不等式Markov's inequality非负随机变量超过阈值的概率由其期望除以阈值控制。给 。要把失败概率压到 ,充分条件是 ,不是 。例如式(2)平衡后,这条朴素转换要求 。它保守,却确实是一个有限样本高概率声明。
二次模型若还有条件次高斯噪声,便能利用更多信息。具体要求对所有实数 有 。逐次条件化可知式(3)中的加权噪声具有次高斯理路次高斯随机变量Sub-Gaussian random variable · 次高斯尺度 · Subgaussian variance proxy用全实数上的中心化指数矩上界定义次高斯尺度,计算独立加权平均的尾界,并区分方差、尺度代理与条件次高斯假设。平方尺度
所以对预先固定的 ,以至少 的概率有
取右侧平方再乘 ,得到目标差的高概率上界。只知道噪声方差有限时,不能使用这个指数尾式。
一个噪声梯度碰巧等于零不能认证停止。例如真梯度为1、噪声为公平 ,一次返回零的概率为 。若要在训练后检验某个随机候选,应冻结候选,再花预算抽独立验证梯度并给其均值置信半径;若反复挑时间查看,还需同时有效的界或事先分配失败概率。完整预算核算见单元终点。
选择下一条路线
希望末点随时间真正逼近根,可继续读Robbins–Monro随机逼近理路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。;希望利用已有迭代减小输出波动,可读迭代平均理路Polyak–Ruppert 迭代平均Polyak–Ruppert averaging · Ruppert–Polyak averaging · 迭代平均平均带噪递推的相关迭代,在线性模型中证明根号样本量极限,精算常步长平均,并展示不合适的步长与非线性偏差。。固定有限和且能重访同一分量时,SVRG理路随机方差缩减梯度法Stochastic variance reduced gradient · SVRG · 随机方差缩减梯度为可重复访问的有限和使用快照控制变量,证明随机内迭代输出的几何收敛,并逐项核算梯度调用和存储代价。用快照梯度改变噪声本身。若目标非凸,输出和误差对象应转到随机梯度的驻点保证理路随机梯度的非凸驻点保证Nonconvex stochastic gradient stationarity · Randomized stochastic gradient · 非凸随机梯度驻点界在光滑有下界的非凸目标上证明随机迭代的期望梯度平方界,区分驻点与最优,并把验证和高概率声明纳入查询预算。,而不是把凸平均的目标差结论直接延用。
若原始条件 阶矩与有界域信息已经有效,裁剪镜像的高概率保证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。分别控制裁剪平方和与方向噪声,用两份 Freedman 预算补足本页期望版本;中心矩和无界域局部化仍需不同条件。固定有限和则可进入非均匀采样预算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。,验证梯度包络、概率下限及每个分量的实际费用。