形式陈述
设 ,凸且为 -光滑,; proper、闭凸,最小点 存在。令历史 包含当前 。随机oracle返回 ,满足
这些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。要求的是给定过去后的均值和方差,并不要求整条梯度序列相互独立。假定需要的随机量可积且更新可测。给定固定的 、整数预算 和固定 ,做
与确定近端梯度理路近端梯度法Proximal gradient method对复合目标的光滑项取显式梯度步、对非光滑凸项取隐式近端步的算法。相同,prox本身精确求解;随机性只在光滑项oracle。本页证明
输出平均点、预算、抽样方式与所用噪声上界。式(3)是固定预算的期望目标差,不是单次运行的可计算gap,也不是任选停时的高概率证书。
直觉
随机梯度保留光滑损失的平均方向,prox保留惩罚的尖角或约束。SGD理路随机梯度下降Stochastic gradient descent · SGD · 随机梯度法在已知历史下用无偏随机梯度更新,推导凸目标期望界与二次噪声底,并按真实梯度查询比较批量和停止保证。的条件oracle结构在这里继续有用,但经过非线性prox后,“无偏梯度”不会变成“无偏下一点”。证明必须把随机误差与新点之间的依赖显式处理。
写 。对旧历史均值为零,可是 已经使用了它,通常 。下面把这个内积拆成旧点项和本轮位移项:旧点项可条件消去,位移项由二次稳定项付账。这是随机复合分析中不可跳过的一步。
例子与边界
阈值之后为什么有偏
取 、,、。每轮噪声取独立公平 ,使用 ,因此满足式(1),。
第一轮 为 或 ,梯度候选为 或 ;阈值为 ,所以 为 或 ,均值 。若先用均值梯度 再做prox,结果为 。说明不能交换期望和软阈值。
本问题最优点为 、。两个随机输出的目标分别是 和 ,一步期望超额为 。零输出不是统计意义上变量消失的证据,也不说明惩罚后的最优点为零。
若只掌握 ,要求一个通用预算例,取 、,式(3)给期望超额不超过 。这只是所列上界;它不声称例中100轮实际误差等于这个数。
有限和的定标和完整检查
对于不除以样本数的平方损失 ,均匀有放回抽行 时,正确oracle是 。漏掉 会把目标的损失部分缩小,相对于固定 改变了问题。若改为平均损失,oracle才不用这个 。
行梯度方差可能随 增大,无约束Lasso不自动满足全程统一 。要使用式(3),必须证明轨道所在区域的方差界,或将有界约束纳入 并精确计算相应prox。只写“有限数据所以方差有界”不足以覆盖无限参数空间。
若需Lasso可行对偶证书理路Lasso 的最优性与对偶间隙Lasso optimality conditions · Lasso duality gap · Lasso primal-dual certificate从残差相关性核验 Lasso 的零与非零坐标,并用可行对偶值认证剩余优化误差。,应在实际返回点计算完整 和所有列的相关性;一个抽样梯度或抽样KKT残差不能证明所有对偶约束成立。这些完整检查的成本不包含在每次随机行查询中。
推论与应用
噪声如何进入三点不等式
简写 。精确prox给
用其次梯度不等式、凸性和下降引理理路下降引理Descent lemma · Quadratic upper-bound lemma以 Lipschitz 梯度常数给出函数相对一阶模型的全局二次上界。,对 得到
因为 ,位移平方的系数至少是 。拆开最后的内积,用
消去这一位移项,剩下 。条件于历史,它的期望为零,而 。求全期望并对 轮求和,距离项望远镜消去,再由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。处理平均点,就得到式(3)。没有把依赖噪声的新点冒充旧历史可测量。
如果距离有效上界为 且 ,在步长限制内平衡两项可选 ;当第二项被选中,界为 。噪声为零时可取 得到 ,但本证明的保守常数不替代确定近端页的更紧版本。
不同误差需要不同预算
每轮有一次随机oracle、一次精确prox和 平均累加;轮的prox总成本必须另报。独立同点小批量把方差上界缩小为 ,却使用 次oracle;相关批量不能自动除以 。随机小批量与内层近似prox理路近似近端梯度的误差预算Inexact proximal gradient · Proximal subproblem residual budget用可核验的近端子问题次梯度残差分配内层精度,并把累计误差传到外层平均目标差。也不是同一个误差来源,后者会再加一份确定或可控残差项。
FISTA理路FISTA 复合加速法FISTA · Fast iterative shrinkage-thresholding algorithm以近端主点、外推查询点和递推权重组成复合凸加速,并用势函数而非逐轮下降证明函数值速率。的无噪声加速势对增长权重很敏感。将式(1)oracle直接代入它,不能宣称仍有无噪声 。本页以平均输出换取清楚的随机保证;最后一点、强凸加速和高概率停止是另需条件的任务。
两道短自测
- ,取 ,它有效吗,式(3)是多少?答案:,两项各0.1,总界0.2。
- 不归一化的10行平方损失,只抽到第3行,oracle应为哪一项?答案:;若只用原行梯度,均值是目标梯度的十分之一,固定惩罚下改变了目标。
随机复合镜像下降理路随机复合镜像下降Stochastic composite mirror descent · 随机复合 Bregman 更新在非欧氏几何中分开随机次梯度和精确结构项,证明更新前平均的有限预算界,并计算熵正则单纯形的真实更新。使用可能不光滑的损失、原始对偶二阶矩与更新前平均,并为结构项首尾差付账;本页使用光滑项中心化方差、欧氏 prox 与更新后平均。相同形式的更新不使两份保证互换。需要减少昂贵 prox 次数时,批量随机近端加速理路批量随机近端加速的噪声预算Batched accelerated stochastic proximal gradient · 带权批量 FISTA以放大的安全曲率吸收随机位移,证明加速势中的加权噪声和,再分配批量大小以分别认证近端次数与样本梯度成本。另以放大曲率和带权噪声势证明最后主点界,给出8次 prox、242次样本的预算;它不是直接继承无噪声 FISTA。
参考资料