This paper rigorously shows how over-parameterization changes the convergence behaviors of gradient descent (GD) for the matrix sensing problem, where the goal is to recover an unknown low-rank ground-truth matrix from near-isotropic linear measurements. First, we consider the symmetric setting with the symmetric parameterization where $M^* \in \mathbb{R}^{n \times n}$ is a positive semi-definite unknown matrix of rank $r \ll n$, and one uses a symmetric parameterization $XX^\top$ to learn $M^*$. Here $X \in \mathbb{R}^{n \times k}$ with $k > r$ is the factor matrix. We give a novel $\Omega (1/T^2)$ lower bound of randomly initialized GD for the over-parameterized case ($k >r$) where $T$ is the number of iterations. This is in stark contrast to the exact-parameterization scenario ($k=r$) where the convergence rate is $\exp (-\Omega (T))$. Next, we study asymmetric setting where $M^* \in \mathbb{R}^{n_1 \times n_2}$ is the unknown matrix of rank $r \ll \min\{n_1,n_2\}$, and one uses an asymmetric parameterization $FG^\top$ to learn $M^*$ where $F \in \mathbb{R}^{n_1 \times k}$ and $G \in \mathbb{R}^{n_2 \times k}$. Building on prior work, we give a global exact convergence result of randomly initialized GD for the exact-parameterization case ($k=r$) with an $\exp (-\Omega(T))$ rate. Furthermore, we give the first global exact convergence result for the over-parameterization case ($k>r$) with an $\exp(-\Omega(\alpha^2 T))$ rate where $\alpha$ is the initialization scale. This linear convergence result in the over-parameterization case is especially significant because one can apply the asymmetric parameterization to the symmetric setting to speed up from $\Omega (1/T^2)$ to linear convergence. On the other hand, we propose a novel method that only modifies one step of GD and obtains a convergence rate independent of $\alpha$, recovering the rate in the exact-parameterization case.


翻译:摘要:本文严谨地展示了过参数化如何改变矩阵感知问题中梯度下降(GD)的收敛行为,该问题的目标是从近各向同性的线性测量中恢复未知的低秩真实矩阵。首先,我们考虑对称参数化下的对称设定,其中 $M^* \in \mathbb{R}^{n \times n}$ 是一个秩为 $r \ll n$ 的半正定未知矩阵,并使用对称参数化 $XX^\top$ 来学习 $M^*$。这里 $X \in \mathbb{R}^{n \times k}$ 且 $k > r$ 为因子矩阵。对于过参数化情形($k > r$),我们给出了随机初始化GD的一个新颖下界 $\Omega (1/T^2)$,其中 $T$ 是迭代次数。这与精确参数化情形($k=r$)下收敛速率为 $\exp (-\Omega (T))$ 形成鲜明对比。接下来,我们研究非对称设定,其中 $M^* \in \mathbb{R}^{n_1 \times n_2}$ 是秩为 $r \ll \min\{n_1,n_2\}$ 的未知矩阵,并使用非对称参数化 $FG^\top$ 学习 $M^*$,其中 $F \in \mathbb{R}^{n_1 \times k}$ 且 $G \in \mathbb{R}^{n_2 \times k}$。基于先前工作,我们给出了精确参数化情形($k=r$)下随机初始化GD的全局精确收敛结果,其速率为 $\exp (-\Omega(T))$。此外,我们首次给出了过参数化情形($k>r$)下随机初始化GD的全局精确收敛结果,其速率为 $\exp(-\Omega(\alpha^2 T))$,其中 $\alpha$ 是初始化尺度。过参数化情形下的这个线性收敛结果尤为重要,因为可将非对称参数化应用于对称设定,从而将收敛速度从 $\Omega (1/T^2)$ 提升至线性收敛。另一方面,我们提出了一种仅修改GD一步的新方法,获得了与 $\alpha$ 无关的收敛速率,恢复出精确参数化情形下的收敛速率。

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