The rise of parallel computing hardware has made it increasingly important to understand which nonlinear state space models can be efficiently parallelized. Recent advances like DEER (arXiv:2309.12252) and DeepPCR (arXiv:2309.16318) recast sequential evaluation as a parallelizable optimization problem, sometimes yielding dramatic speedups. However, the factors governing the difficulty of these optimization problems remained unclear, limiting broader adoption. In this work, we establish a precise relationship between a system's dynamics and the conditioning of its corresponding optimization problem, as measured by its Polyak-Lojasiewicz (PL) constant. We show that the predictability of a system, defined as the degree to which small perturbations in state influence future behavior and quantified by the largest Lyapunov exponent (LLE), impacts the number of optimization steps required for evaluation. For predictable systems, the state trajectory can be computed in at worst $O((\log T)^2)$ time, where $T$ is the sequence length: a major improvement over the conventional sequential approach. In contrast, chaotic or unpredictable systems exhibit poor conditioning, with the consequence that parallel evaluation converges too slowly to be useful. Importantly, our theoretical analysis shows that predictable systems always yield well-conditioned optimization problems, whereas unpredictable systems lead to severe conditioning degradation. We validate our claims through extensive experiments, providing practical guidance on when nonlinear dynamical systems can be efficiently parallelized. We highlight predictability as a key design principle for parallelizable models.


翻译:并行计算硬件的兴起使得理解哪些非线性状态空间模型能够被高效并行化变得日益重要。诸如DEER (arXiv:2309.12252) 和 DeepPCR (arXiv:2309.16318) 等近期进展将顺序评估重构为一个可并行化的优化问题,有时能带来显著的加速效果。然而,决定这些优化问题难度的因素尚不明确,限制了其更广泛的应用。在本工作中,我们建立了一个系统的动力学与其对应优化问题的条件数(以其Polyak-Lojasiewicz (PL) 常数为度量)之间的精确关系。我们证明,一个系统的可预测性——定义为状态微小扰动对未来行为的影响程度,并由最大李雅普诺夫指数 (LLE) 量化——会影响评估所需的优化步数。对于可预测系统,状态轨迹的计算在最坏情况下仅需 $O((\log T)^2)$ 时间,其中 $T$ 为序列长度:这相较于传统的顺序方法是一个重大改进。相反,混沌或不可预测的系统则表现出较差的条件数,导致并行评估收敛过慢而失去实用价值。重要的是,我们的理论分析表明,可预测系统总是产生条件数良好的优化问题,而不可预测系统则会导致条件数严重恶化。我们通过大量实验验证了我们的论断,为非线性动力系统何时能够被高效并行化提供了实用指导。我们强调可预测性是设计可并行化模型的一个关键原则。

0
下载
关闭预览

相关内容

《可解释性强化学习模型》
专知会员服务
16+阅读 · 2月24日
探究模型能力与应用的进展和边界
专知会员服务
25+阅读 · 2025年8月27日
《可解释深度强化学习综述》
专知会员服务
40+阅读 · 2025年2月12日
非Transformer不可?最新《状态空间模型(SSM)》综述
专知会员服务
75+阅读 · 2024年4月16日
深度学习和基础模型在时间序列预测中的综述
专知会员服务
50+阅读 · 2024年1月26日
可解释的机器学习模型和架构
专知会员服务
92+阅读 · 2023年9月17日
用模型不确定性理解模型
论智
11+阅读 · 2018年9月5日
基于 Keras 用深度学习预测时间序列
R语言中文社区
23+阅读 · 2018年7月27日
深度学习在CTR预估中的应用 | CTR深度模型大盘点
PaperWeekly
15+阅读 · 2018年4月11日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关VIP内容
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员