We revisit the classical problem of finding an approximately stationary point of the average of $n$ smooth and possibly nonconvex functions. The optimal complexity of stochastic first-order methods in terms of the number of gradient evaluations of individual functions is $\mathcal{O}\left(n + n^{1/2}\varepsilon^{-1}\right)$, attained by the optimal SGD methods $\small\sf\color{green}{SPIDER}$(arXiv:1807.01695) and $\small\sf\color{green}{PAGE}$(arXiv:2008.10898), for example, where $\varepsilon$ is the error tolerance. However, i) the big-$\mathcal{O}$ notation hides crucial dependencies on the smoothness constants associated with the functions, and ii) the rates and theory in these methods assume simplistic sampling mechanisms that do not offer any flexibility. In this work we remedy the situation. First, we generalize the $\small\sf\color{green}{PAGE}$ algorithm so that it can provably work with virtually any (unbiased) sampling mechanism. This is particularly useful in federated learning, as it allows us to construct and better understand the impact of various combinations of client and data sampling strategies. Second, our analysis is sharper as we make explicit use of certain novel inequalities that capture the intricate interplay between the smoothness constants and the sampling procedure. Indeed, our analysis is better even for the simple sampling procedure analyzed in the $\small\sf\color{green}{PAGE}$ paper. However, this already improved bound can be further sharpened by a different sampling scheme which we propose. In summary, we provide the most general and most accurate analysis of optimal SGD in the smooth nonconvex regime. Finally, our theoretical findings are supposed with carefully designed experiments.


翻译:我们重新审视了找到一个大致固定点的典型问题, 即: 找到一个大约固定点, 平均值为 美元平滑, 可能不是 convex 函数。 例如, 最优化的一级采样方法最复杂的是 $\ mathcal{ O ⁇ left( n\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\r\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \

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