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统计学 > 机器学习

arXiv:2508.16485 (stat)
[提交于 2025年8月22日 ]

标题: 阻尼Langevin MCMC具有三阶收敛性

标题: Underdamped Langevin MCMC with third order convergence

Authors:Maximilian Scott, Dáire O'Kane, Andraž Jelinčič, James Foster
摘要: 在本文中,我们提出了一种新的数值方法用于欠阻尼朗之万扩散(ULD),并在目标分布$d$维且$p(x)\propto e^{-f(x)}$是强对数凹且具有不同平滑程度的情况下,给出了其采样误差在 2-Wasserstein 距离下的非渐近分析。精确地说,在梯度和 Hessian 的假设下$f$是 Lipschitz 连续的,我们的算法分别在$\mathcal{O}(\sqrt{d}/\varepsilon)$和$\mathcal{O}(\sqrt{d}/\sqrt{\varepsilon})$步骤中达到 2-Wasserstein 误差$\varepsilon$。因此,在匹配假设下,我们的算法与其他流行的朗之万 MCMC 算法具有相似的复杂度。 然而,如果我们进一步假设$f$的三阶导数是 Lipschitz 连续的,那么我们的算法在$\mathcal{O}(\sqrt{d}/\varepsilon^{\frac{1}{3}})$步骤内达到$\varepsilon$的 2-Wasserstein 误差。据我们所知,这是首个具有三阶收敛性的 ULD 梯度仅方法。为了支持我们的理论,我们在一系列真实数据集上进行了贝叶斯逻辑回归,其中我们的算法与现有的欠阻尼 Langevin MCMC 算法和流行的 No U-Turn Sampler (NUTS) 相比表现出有竞争力的性能。
摘要: In this paper, we propose a new numerical method for the underdamped Langevin diffusion (ULD) and present a non-asymptotic analysis of its sampling error in the 2-Wasserstein distance when the $d$-dimensional target distribution $p(x)\propto e^{-f(x)}$ is strongly log-concave and has varying degrees of smoothness. Precisely, under the assumptions that the gradient and Hessian of $f$ are Lipschitz continuous, our algorithm achieves a 2-Wasserstein error of $\varepsilon$ in $\mathcal{O}(\sqrt{d}/\varepsilon)$ and $\mathcal{O}(\sqrt{d}/\sqrt{\varepsilon})$ steps respectively. Therefore, our algorithm has a similar complexity as other popular Langevin MCMC algorithms under matching assumptions. However, if we additionally assume that the third derivative of $f$ is Lipschitz continuous, then our algorithm achieves a 2-Wasserstein error of $\varepsilon$ in $\mathcal{O}(\sqrt{d}/\varepsilon^{\frac{1}{3}})$ steps. To the best of our knowledge, this is the first gradient-only method for ULD with third order convergence. To support our theory, we perform Bayesian logistic regression across a range of real-world datasets, where our algorithm achieves competitive performance compared to an existing underdamped Langevin MCMC algorithm and the popular No U-Turn Sampler (NUTS).
评论: 62页,7图
主题: 机器学习 (stat.ML) ; 机器学习 (cs.LG); 数值分析 (math.NA); 概率 (math.PR); 统计理论 (math.ST)
MSC 类: 60J22, 60L90, 62F15, 65C30
引用方式: arXiv:2508.16485 [stat.ML]
  (或者 arXiv:2508.16485v1 [stat.ML] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.16485
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: James Foster [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 22 日 16:00:01 UTC (561 KB)
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