Stochastic Bilevel optimization usually involves minimizing an upper-level (UL) function that is dependent on the arg-min of a strongly-convex lower-level (LL) function. Several algorithms utilize Neumann series to approximate certain matrix inverses involved in estimating the implicit gradient of the UL function (hypergradient). The state-of-the-art StOchastic Bilevel Algorithm (SOBA) [16] instead uses stochastic gradient descent steps to solve the linear system associated with the explicit matrix inversion. This modification enables SOBA to match the lower bound of sample complexity for the single-level counterpart in non-convex settings. Unfortunately, the current analysis of SOBA relies on the assumption of higher-order smoothness for the UL and LL functions to achieve optimality. In this paper, we introduce a novel fully single-loop and Hessian-inversion-free algorithmic framework for stochastic bilevel optimization and present a tighter analysis under standard smoothness assumptions (first-order Lipschitzness of the UL function and second-order Lipschitzness of the LL function). Furthermore, we show that by a slight modification of our approach, our algorithm can handle a more general multi-objective robust bilevel optimization problem. For this case, we obtain the state-of-the-art oracle complexity results demonstrating the generality of both the proposed algorithmic and analytic frameworks. Numerical experiments demonstrate the performance gain of the proposed algorithms over existing ones.


翻译:随机双层优化通常涉及最小化一个依赖于强凸下层(LL)函数arg-min的上层(UL)函数。现有若干算法利用Neumann级数来近似估计UL函数隐式梯度(超梯度)所涉及的某些矩阵逆。而最新提出的StOchastic Bilevel Algorithm (SOBA) [16] 则采用随机梯度下降步骤求解与显式矩阵求逆相关的线性系统。这一改进使得SOBA在非凸场景下能够匹配单层优化问题的样本复杂度下界。遗憾的是,当前对SOBA的分析依赖于UL和LL函数具有高阶光滑性的假设才能达到最优性。本文提出了一种新颖的全单循环且无需Hessian矩阵求逆的随机双层优化算法框架,并在标准光滑性假设(UL函数一阶Lipschitz连续性和LL函数二阶Lipschitz连续性)下给出了更紧凑的分析。进一步地,我们证明通过对方法进行简单修改,所提算法可以处理更一般的多目标鲁棒双层优化问题。针对该情形,我们获得了最新的预言复杂度结果,充分展现了所提算法与分析框架的通用性。数值实验验证了所提算法相较于现有方法的性能提升。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12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
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
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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
A Survey on Deep Learning for Named Entity Recognition
Arxiv
73+阅读 · 2018年12月22日
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
VIP会员
最新内容
算法化战争:人工智能时代的新范式(万字长文)
帕兰蒂尔Maven:军事人工智能的新纪元
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:00
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
3+阅读 · 5月31日
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
19+阅读 · 5月30日
相关资讯
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
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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员