Stochastic approximation (SA) is a classical algorithm that has had since the early days a huge impact on signal processing, and nowadays on machine learning, due to the necessity to deal with a large amount of data observed with uncertainties. An exemplar special case of SA pertains to the popular stochastic (sub)gradient algorithm which is the working horse behind many important applications. A lesser-known fact is that the SA scheme also extends to non-stochastic-gradient algorithms such as compressed stochastic gradient, stochastic expectation-maximization, and a number of reinforcement learning algorithms. The aim of this article is to overview and introduce the non-stochastic-gradient perspectives of SA to the signal processing and machine learning audiences through presenting a design guideline of SA algorithms backed by theories. Our central theme is to propose a general framework that unifies existing theories of SA, including its non-asymptotic and asymptotic convergence results, and demonstrate their applications on popular non-stochastic-gradient algorithms. We build our analysis framework based on classes of Lyapunov functions that satisfy a variety of mild conditions. We draw connections between non-stochastic-gradient algorithms and scenarios when the Lyapunov function is smooth, convex, or strongly convex. Using the said framework, we illustrate the convergence properties of the non-stochastic-gradient algorithms using concrete examples. Extensions to the emerging variance reduction techniques for improved sample complexity will also be discussed.


翻译:随机逼近(SA)是一种经典算法,自诞生之初便对信号处理领域产生深远影响,如今更因处理含不确定性海量数据的现实需求,在机器学习领域发挥关键作用。其特例——流行的随机(次)梯度算法——已成为众多重要应用的核心引擎。鲜为人知的是,SA框架还能拓展至非随机梯度算法,包括压缩随机梯度、随机期望最大化以及多种强化学习算法。本文旨在向信号处理与机器学习领域的研究者系统介绍SA的非随机梯度视角,通过呈现基于理论支撑的SA算法设计准则,提出一个统一现有SA理论(包括渐近与非渐近收敛性分析)的通用框架,并阐释其在典型非随机梯度算法中的应用。我们基于满足系列温和条件的李雅普诺夫函数类构建分析框架,揭示非随机梯度算法在李雅普诺夫函数满足光滑性、凸性或强凸性等不同条件下的算法特性,通过具体实例演示其收敛性质。此外,还将探讨提升样本复杂度的新兴方差缩减技术拓展方案。

1
下载
关闭预览

相关内容

信号处理期刊采用了理论与实践的各个方面的信号处理。它以原始研究工作,教程和评论文章以及实际发展情况为特色。它旨在将知识和经验快速传播给从事信号处理研究,开发或实际应用的工程师和科学家。该期刊涵盖的主题领域包括:信号理论;随机过程; 检测和估计;光谱分析;过滤;信号处理系统;软件开发;图像处理; 模式识别; 光信号处理;数字信号处理; 多维信号处理;通信信号处理;生物医学信号处理;地球物理和天体信号处理;地球资源信号处理;声音和振动信号处理;数据处理; 遥感; 信号处理技术;雷达信号处理;声纳信号处理;工业应用;新的应用程序。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/sigpro/
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
机器学习损失函数概述,Loss Functions in Machine Learning
专知会员服务
84+阅读 · 2022年3月19日
【干货书】真实机器学习,264页pdf,Real-World Machine Learning
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
95+阅读 · 2022年8月2日
Arxiv
31+阅读 · 2022年2月15日
Arxiv
58+阅读 · 2021年5月3日
VIP会员
最新内容
战力倍增器:自主武器系统与乌克兰及加沙冲突
人工智能赋能战场情报:提速决策进程
专知会员服务
2+阅读 · 7月17日
《拥抱新兴技术:面向未来军官的教育革新》
专知会员服务
5+阅读 · 7月17日
《无人地面战车(UGV)的崛起》报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月16日
美陆军任务式指挥人工智能解决方案
专知会员服务
13+阅读 · 7月16日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
机器学习损失函数概述,Loss Functions in Machine Learning
专知会员服务
84+阅读 · 2022年3月19日
【干货书】真实机器学习,264页pdf,Real-World Machine Learning
专知会员服务
162+阅读 · 2020年1月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员