Stein Variational Gradient Descent (SVGD) is a popular variational inference algorithm which simulates an interacting particle system to approximately sample from a target distribution, with impressive empirical performance across various domains. Theoretically, its population (i.e, infinite-particle) limit dynamics is well studied but the behavior of SVGD in the finite-particle regime is much less understood. In this work, we design two computationally efficient variants of SVGD, namely VP-SVGD and GB-SVGD, with provably fast finite-particle convergence rates. We introduce the notion of virtual particles and develop novel stochastic approximations of population-limit SVGD dynamics in the space of probability measures, which are exactly implementable using a finite number of particles. Our algorithms can be viewed as specific random-batch approximations of SVGD, which are computationally more efficient than ordinary SVGD. We show that the $n$ particles output by VP-SVGD and GB-SVGD, run for $T$ steps with batch-size $K$, are at-least as good as i.i.d samples from a distribution whose Kernel Stein Discrepancy to the target is at most $O\left(\tfrac{d^{1/3}}{(KT)^{1/6}}\right)$ under standard assumptions. Our results also hold under a mild growth condition on the potential function, which is much weaker than the isoperimetric (e.g. Poincare Inequality) or information-transport conditions (e.g. Talagrand's Inequality $\mathsf{T}_1$) generally considered in prior works. As a corollary, we consider the convergence of the empirical measure (of the particles output by VP-SVGD and GB-SVGD) to the target distribution and demonstrate a double exponential improvement over the best known finite-particle analysis of SVGD. Beyond this, our results present the first known oracle complexities for this setting with polynomial dimension dependence.


翻译:基于虚拟粒子随机逼近的SVGD可证明快速有限粒子变体。斯坦因变分梯度下降(SVGD)是一种流行的变分推断算法,通过模拟相互作用粒子系统来近似从目标分布采样,在多个领域展现出卓越的实证性能。理论上,其总体(即无限粒子)极限动力学已得到充分研究,但SVGD在有限粒子条件下的行为仍知之甚少。本文设计了两种计算高效的SVGD变体——VP-SVGD与GB-SVGD,并给出了可证明的快速有限粒子收敛速率。我们引入虚拟粒子概念,在概率测度空间中发展了总体极限SVGD动力学的新型随机逼近方法,该方法可通过有限数量粒子精确实现。我们的算法可视为SVGD的特定随机批处理逼近,其计算效率优于普通SVGD。我们证明:在标准假设下,由VP-SVGD和GB-SVGD运行T步、批大小为K输出的n个粒子,至少等效于来自分布(其与目标分布间的核斯坦因散度不超过O(d^{1/3}/(KT)^{1/6}))的独立同分布样本。我们的结果在势函数的温和增长条件下同样成立,该条件远弱于先前研究中普遍考虑的等周(如庞加莱不等式)或信息传输条件(如塔拉格兰德不等式T₁)。作为推论,我们考察了经验测度(VP-SVGD和GB-SVGD输出粒子的)向目标分布的收敛性,并展示了相较于SVGD已知最佳有限粒子分析的双指数改进。此外,本研究首次给出了该设置下具有多项式维度依赖性的预言复杂度。

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