We study the complexity of optimizing nonsmooth nonconvex Lipschitz functions by producing $(\delta,\epsilon)$-stationary points. Several recent works have presented randomized algorithms that produce such points using $\tilde O(\delta^{-1}\epsilon^{-3})$ first-order oracle calls, independent of the dimension $d$. It has been an open problem as to whether a similar result can be obtained via a deterministic algorithm. We resolve this open problem, showing that randomization is necessary to obtain a dimension-free rate. In particular, we prove a lower bound of $\Omega(d)$ for any deterministic algorithm. Moreover, we show that unlike smooth or convex optimization, access to function values is required for any deterministic algorithm to halt within any finite time. On the other hand, we prove that if the function is even slightly smooth, then the dimension-free rate of $\tilde O(\delta^{-1}\epsilon^{-3})$ can be obtained by a deterministic algorithm with merely a logarithmic dependence on the smoothness parameter. Motivated by these findings, we turn to study the complexity of deterministically smoothing Lipschitz functions. Though there are efficient black-box randomized smoothings, we start by showing that no such deterministic procedure can smooth functions in a meaningful manner, resolving an open question. We then bypass this impossibility result for the structured case of ReLU neural networks. To that end, in a practical white-box setting in which the optimizer is granted access to the network's architecture, we propose a simple, dimension-free, deterministic smoothing that provably preserves $(\delta,\epsilon)$-stationary points. Our method applies to a variety of architectures of arbitrary depth, including ResNets and ConvNets. Combined with our algorithm, this yields the first deterministic dimension-free algorithm for optimizing ReLU networks, circumventing our lower bound.


翻译:我们研究通过生成$(\delta,\epsilon)$-稳定点来优化非光滑非凸Lipschitz函数的复杂性。近期多项研究提出了使用$\tilde O(\delta^{-1}\epsilon^{-3})$次一阶预言机调用的随机算法(该复杂度与维度$d$无关),而能否通过确定性算法获得类似结果一直是个开放问题。我们解决了这一开放问题,证明随机化是实现无关维度速率的必要条件。具体而言,我们证明了任何确定性算法都存在$\Omega(d)$的下界。此外,我们表明与光滑或凸优化不同,任何确定性算法若要在有限时间内停机,必须访问函数值。另一方面,我们证明若函数具备轻微光滑性,则可通过确定性算法获得$\tilde O(\delta^{-1}\epsilon^{-3})$的无关维度速率,且该算法对光滑性参数仅具有对数依赖性。受这些发现启发,我们转而研究确定性光滑化Lipschitz函数的复杂性。尽管存在高效的黑箱随机光滑化方法,我们首先证明任何确定性过程都无法以有意义的方式光滑化函数,从而解决了另一个开放问题。随后,针对ReLU神经网络的结构化情形,我们突破了这一不可能性结果。具体而言,在优化器可访问网络架构的实用白箱设定中,我们提出一种简单的、无关维度的确定性光滑化方法,该方法能保证$(\delta,\epsilon)$-稳定点的保持性。我们的方法适用于包括ResNet和ConvNet在内的任意深度多种架构。结合我们的算法,这首次为优化ReLU网络提供了确定性且无关维度的算法,从而规避了我们的下界。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
127+阅读 · 2020年11月20日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月10日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月9日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月7日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月6日
VIP会员
最新内容
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 今天7:47
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:37
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:14
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
专知会员服务
13+阅读 · 6月10日
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
14+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
127+阅读 · 2020年11月20日
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
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
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】GAN架构入门综述(资源汇总)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月3日
相关基金
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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员