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算法Algorithm

在线镜像下降

施工中 · 内容逐步修订

Online mirror descent · OMD

以强凸势函数诱导的 Bregman 几何执行在线更新,并用三点恒等式得到对偶范数控制的遗憾界。

形式陈述 ​

更新规则 ​

在线凸优化中,决策集 K⊆Rd 非空且凸。第 t 轮先选 xt∈K,再见凸损失 ft 及一个次梯度 gt∈∂ft(xt)。选择可微势函数 ψ,其相对范数 ‖⋅‖ 是 α-强凸的(α>0);对应 Bregman 散度为

Dψ(x,y)=ψ(x)−ψ(y)−⟨∇ψ(y),x−y⟩.

固定 η>0,假设每轮最小值取得,且初始点与后续迭代点都在 ψ 的可微区域内。在线镜像下降使用更新

xt+1=arg⁡minx∈K{η⟨gt,x⟩+Dψ(x,xt)}.

线性项要求沿负梯度移动,Bregman 项则按所选几何惩罚离开 xt。Dψ 一般不对称,更新中的参数顺序不能交换。

在显式 d 维表示下,存放迭代点与梯度需 O(d) 状态,形成线性项和向量差需 O(d) 基本运算。损失次梯度、∇ψ(xt) 的求值,以及上述 Bregman 子问题的求解时间和工作空间都须另计;一般 K,ψ 没有统一的常数次求解保证,近似解的误差也需进入遗憾分析。

一步不等式与遗憾推导 ​

最优性条件对任意比较器 u∈K 给出

⟨ηgt+∇ψ(xt+1)−∇ψ(xt),u−xt+1⟩≥0.

结合 Bregman 三点恒等式,并把 xt−u=(xt−xt+1)+(xt+1−u) 分开,可得

η⟨gt,xt−u⟩≤Dψ(u,xt)−Dψ(u,xt+1)+η⟨gt,xt−xt+1⟩−Dψ(xt+1,xt).

以下对偶范数记为 ‖g‖∗=sup‖v‖≤1|⟨g,v⟩|。强凸性给 Dψ(xt+1,xt)≥α2‖xt+1−xt‖2;对偶范数 Hölder 不等式与配方再把最后两项控制为 η2‖gt‖∗2/(2α)。由凸性 ft(xt)−ft(u)≤⟨gt,xt−u⟩,对 t 求和后 Bregman 项望远镜消去:

RegretT(u)≤Dψ(u,x1)η+η2α∑t=1T‖gt‖∗2.

若 Dψ(u,x1)≤B、‖gt‖∗≤G,在 B,G>0、T≥1 时取 η=2αB/(G2T),得到 G2BT/α。退化参数直接使用前一未优化界,不把零步长代入含 1/η 的式子。

直觉
在线镜像下降的对偶更新与返回

普通梯度下降默认欧氏距离是“移动多远”的尺度,镜像下降让势函数选择问题自己的几何。梯度仍在对偶空间表达损失方向,Bregman 散度则把这一步拉回可行域;不同势函数因而会让同一线性反馈产生投影更新或乘法更新。

遗憾证明围绕一份到比较器的 Bregman 势能展开。每轮线性化损失由势能下降支付,无法完全支付的部分由梯度对偶范数与强凸性控制;求和后中间势能望远镜消失,只留下初始距离和累计梯度规模。

例子与边界

欧氏球与概率单纯形 ​

在欧氏空间取 ψ(x)=12‖x‖22,Dψ(x,y)=12‖x−y‖22,更新就是投影在线梯度下降。这里 primal 与 dual 范数都是 ℓ2。

在概率单纯形 Δn 上取负熵 ψ(p)=∑ipilog⁡pi,Bregman 散度是 KL(p‖q)。一阶条件给

pt+1,i∝pt,ie−ηgt,i,

即 exponentiated-gradient/乘法更新。以均匀 p1 开始有 Dψ(u,p1)≤log⁡n,梯度由 ℓ∞ 控制时得到 O(GTlog⁡n) 遗憾,比在单纯形上硬用欧氏直径更贴合坐标结构。

边界 ​

势函数必须与决策域匹配。负熵在零坐标处梯度发散,通常从相对内部初始化,并由乘法更新保持正坐标;若约束把解压到边界,需用次梯度/Legendre 型势函数的精确定义。Bregman 投影也未必有闭式,计算它的代价属于算法实现而非遗憾公式自动免除的部分。

强凸范数与梯度对偶范数必须配套:ℓ1 强凸性对应 ℓ∞ 梯度范数。由于 ‖g‖∞≤‖g‖2,使用较大的 ℓ2 上界仍有效,但可能损失维数优势;不能无依据地换成更小的量。OMD 与 FTRL 常能导出相似更新,但一个围绕当前点做 Bregman 近端步,一个重解累计线性化加正则的目标;不能仅凭最终公式相近就视为同一定义。

推论与应用

欧氏势函数恢复投影在线梯度下降,负熵势函数在单纯形上恢复 exponentiated gradient。前者由 ℓ2 直径控制,后者把初始散度压到 log⁡n 并以 ℓ∞ 梯度配对,说明选择几何能实质改变维数依赖。

若 T 未知,可以采用随时间衰减的学习率或 doubling trick;若梯度规模变化明显,还可用自适应正则。每种变体都要重新验证一步不等式与势能望远镜,不能只把 η 换成经验公式而沿用固定学习率结论。

参考资料
  • Arkadi Nemirovski and David Yudin, Problem Complexity and Method Efficiency in Optimization, Wiley, 1983.
  • Shai Shalev-Shwartz, “Online Learning and Online Convex Optimization,” Foundations and Trends in Machine Learning 4(2), 2012.
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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