Real-time recurrent learning (RTRL) computes exact online gradients by propagating a Jacobian tensor forward through recurrent dynamics, but at O(n^4) cost per step. Prior work has sought structured approximations (rank-1 compression, graph-based sparsity, Kronecker factorization). We show that, in the continuous error signal regime, the recurrent Jacobian is massively redundant:propagating through a random 6% of paths (k=4 of n=64) recovers 84 +/- 6% of full RTRL's adaptation ability across five seeds, and the absolute count k=4 remains effective from n=64 to n=256 (6% to 1.6%, recovery 84 to 78%), meaning sparse RTRL becomes relatively cheaper as networks grow. In RNNs, the recovery is selection-invariant (even adversarial path selection works) and exhibits a step-function transition from zero to any nonzero propagation. Spectral analysis reveals the mechanism: the Jacobian is full-rank but near-isotropic (condition numbers 2.6-6.5), so any random subset provides a directionally representative gradient estimate. On chaotic dynamics (Lorenz attractor), sparse propagation is more numerically stable than full RTRL (CV 13% vs. 88%), as subsampling avoids amplifying pathological spectral modes. The redundancy extends to LSTMs (k=4 matches full RTRL) and to transformers via sparse gradient transport (50% head sparsity outperforms the dense reference; 33% is borderline), with higher thresholds reflecting head specialization rather than isotropy. On real primate neural data, sparse RTRL (k=4) adapts online to cross-session electrode drift (80 +/- 11% recovery, 5 seeds), where sparse propagation is again more stable than full RTRL. Without continuous error signal, Jacobian propagation accumulates numerical drift and degrades all RTRL variants, a scope condition for all forward-mode methods. Results hold with SGD (92 +/- 1% recovery), suggesting independence from optimizer choice.


翻译:实时递归学习(RTRL)通过沿递归动力学向前传播雅可比张量来计算精确在线梯度,但每步计算代价为O(n^4)。先前的工作探索了结构化近似(秩-1压缩、基于图的稀疏性、Kronecker分解)。我们证明,在连续误差信号机制下,递归雅可比矩阵存在大规模冗余:通过随机6%的路径传播(n=64中k=4)可恢复全量RTRL适应能力的84±6%(五个随机种子),且固定计数k=4在n=64到n=256(6%到1.6%,恢复率84%到78%)范围内保持有效,这意味着随着网络规模增大,稀疏RTRL的相对计算成本更低。在RNN中,恢复具有选择不变性(甚至对抗性路径选择依然有效),并呈现从零传播到非零传播的阶跃函数式转变。谱分析揭示了其机制:雅可比矩阵满秩但近各向同性(条件数2.6-6.5),因此任意随机子集均可提供方向代表性的梯度估计。在混沌动力学(Lorenz吸引子)中,稀疏传播相比全量RTRL具有更高的数值稳定性(变异系数13%对比88%),因为子采样避免了放大病态谱模式。这种冗余性扩展到LSTM(k=4匹配全量RTRL)和Transformer(通过稀疏梯度传输,50%头部稀疏性超越密集参考模型,33%为临界值),其中更高阈值反映了头部特化而非各向同性。在真实灵长类神经数据上,稀疏RTRL(k=4)可在线适应跨会话电极漂移(恢复率80±11%,5个随机种子),且稀疏传播再次比全量RTRL更稳定。若缺乏连续误差信号,雅可比传播会积累数值漂移并降低所有RTRL变体的性能——这是所有前向模式方法的适用范围条件。结果在SGD优化器下成立(恢复率92±1%),表明与优化器选择无关。

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