Although adaptive gradient methods have been extensively used in deep learning, their convergence rates proved in the literature are all slower than that of SGD, particularly with respect to their dependence on the dimension. This paper considers the classical RMSProp and its momentum extension and establishes the convergence rate of $\frac{1}{T}\sum_{k=1}^T E\left[\|\nabla f(x^k)\|_1\right]\leq O(\frac{\sqrt{d}C}{T^{1/4}})$ measured by $\ell_1$ norm without the bounded gradient assumption, where $d$ is the dimension of the optimization variable, $T$ is the iteration number, and $C$ is a constant identical to that appeared in the optimal convergence rate of SGD. Our convergence rate matches the lower bound with respect to all the coefficients except the dimension $d$. Since $\|x\|_2\ll\|x\|_1\leq\sqrt{d}\|x\|_2$ for problems with extremely large $d$, our convergence rate can be considered to be analogous to the $\frac{1}{T}\sum_{k=1}^T E\left[\|\nabla f(x^k)\|_2\right]\leq O(\frac{C}{T^{1/4}})$ rate of SGD in the ideal case of $\|\nabla f(x)\|_1=\varTheta(\sqrt{d}\|\nabla f(x)\|_2)$.


翻译:尽管自适应梯度方法已在深度学习中广泛使用,但文献中证明的收敛速率均慢于SGD,尤其在维度依赖性方面。本文研究经典RMSProp及其动量扩展方法,在无梯度有界假设下,建立了基于$\ell_1$范数的收敛速率$\frac{1}{T}\sum_{k=1}^T E\left[\|\nabla f(x^k)\|_1\right]\leq O(\frac{\sqrt{d}C}{T^{1/4}})$,其中$d$为优化变量维度,$T$为迭代次数,$C$为与SGD最优收敛速率中相同的常数。我们的收敛速率除维度$d$外,在所有系数上与下界匹配。由于对于维度$d$极大的问题,$\|x\|_2\ll\|x\|_1\leq\sqrt{d}\|x\|_2$,当满足理想条件$\|\nabla f(x)\|_1=\varTheta(\sqrt{d}\|\nabla f(x)\|_2)$时,该收敛速率可视为与SGD的$\frac{1}{T}\sum_{k=1}^T E\left[\|\nabla f(x^k)\|_2\right]\leq O(\frac{C}{T^{1/4}})$速率相类比。

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