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数学 > 优化与控制

arXiv:2311.11841 (math)
[提交于 2023年11月20日 (v1) ,最后修订 2025年3月14日 (此版本, v3)]

标题: 高概率保证的随机重排

标题: High Probability Guarantees for Random Reshuffling

Authors:Hengxu Yu, Xiao Li
摘要: 我们考虑带有随机重排的随机梯度方法($\mathsf{RR}$)来解决平滑非凸优化问题。$\mathsf{RR}$在实践中有着广泛的应用,特别是在训练神经网络方面。在本工作中,我们为此方法提供了高概率的一阶和二阶复杂度保证。首先,我们建立了一个高概率的一阶样本复杂度结果,以将梯度的欧几里得范数(不取期望)降低到$\varepsilon$以下。我们得到的复杂度与现有最好的期望内复杂度相匹配,仅在对数项上有所不同,同时没有引入额外的假设,也没有改变$\mathsf{RR}$的更新规则。然后我们提出了一个简单且可计算的停止准则用于$\mathsf{RR}$(记为$\mathsf{RR}$-$\mathsf{sc}$)。该准则保证在有限次数的迭代后被触发,使我们能够证明最后一个迭代的高概率一阶复杂度保证。 其次,基于提出的停止准则,我们设计了一种扰动随机重排方法($\mathsf{p}$-$\mathsf{RR}$),该方法在平稳点附近涉及一个额外的随机扰动过程。我们推导出$\mathsf{p}$-$\mathsf{RR}$可以保证逃离严格鞍点,并建立了高概率的二阶复杂度结果,而无需对随机梯度误差施加任何次高斯尾部类型的假设。推导上述结果的基本要素是$\mathsf{RR}$中抽样无放回的新集中性质,这可能具有独立兴趣。最后,我们在神经网络训练中进行了数值实验,以支持我们的理论结果。
摘要: We consider the stochastic gradient method with random reshuffling ($\mathsf{RR}$) for tackling smooth nonconvex optimization problems. $\mathsf{RR}$ finds broad applications in practice, notably in training neural networks. In this work, we provide high probability first-order and second-order complexity guarantees for this method. First, we establish a high probability first-order sample complexity result for driving the Euclidean norm of the gradient (without taking expectation) below $\varepsilon$. Our derived complexity matches the best existing in-expectation one up to a logarithmic term while imposing no additional assumptions nor changing $\mathsf{RR}$'s updating rule. We then propose a simple and computable stopping criterion for $\mathsf{RR}$ (denoted as $\mathsf{RR}$-$\mathsf{sc}$). This criterion is guaranteed to be triggered after a finite number of iterations, enabling us to prove a high probability first-order complexity guarantee for the last iterate. Second, building on the proposed stopping criterion, we design a perturbed random reshuffling method ($\mathsf{p}$-$\mathsf{RR}$) that involves an additional randomized perturbation procedure near stationary points. We derive that $\mathsf{p}$-$\mathsf{RR}$ provably escapes strict saddle points and establish a high probability second-order complexity result, without requiring any sub-Gaussian tail-type assumptions on the stochastic gradient errors. The fundamental ingredient in deriving the aforementioned results is the new concentration property for sampling without replacement in $\mathsf{RR}$, which could be of independent interest. Finally, we conduct numerical experiments on neural network training to support our theoretical findings.
评论: 对组织结构进行了调整,以使基本理念更清晰
主题: 优化与控制 (math.OC) ; 机器学习 (cs.LG)
MSC 类: 90C30, 90C06, 90C26, 90C15
引用方式: arXiv:2311.11841 [math.OC]
  (或者 arXiv:2311.11841v3 [math.OC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.11841
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Hengxu Yu [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2023 年 11 月 20 日 15:17:20 UTC (67 KB)
[v2] 星期五, 2023 年 12 月 8 日 02:26:17 UTC (67 KB)
[v3] 星期五, 2025 年 3 月 14 日 09:45:53 UTC (214 KB)
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