In this paper, we provide a comprehensive theoretical analysis of Stochastic Gradient Descent (SGD) and its momentum variants (Polyak Heavy-Ball and Nesterov) for tracking time-varying optima under strong convexity and smoothness. Our finite-time bounds reveal a sharp decomposition of tracking error into transient, noise-induced, and drift-induced components. This decomposition exposes a fundamental trade-off: while momentum is often used as a gradient-smoothing heuristic, under distribution shift it incurs an explicit drift-amplification penalty that diverges as the momentum parameter $β$ approaches 1, yielding systematic tracking lag. We complement these upper bounds with minimax lower bounds under gradient-variation constraints, proving this momentum-induced tracking penalty is not an analytical artifact but an information-theoretic barrier: in drift-dominated regimes, momentum is unavoidably worse because stale-gradient averaging forces systematic lag. Our results provide theoretical grounding for the empirical instability of momentum in dynamic settings and precisely delineate regime boundaries where vanilla SGD provably outperforms its accelerated counterparts.


翻译:本文对随机梯度下降法(SGD)及其动量变体(Polyak Heavy-Ball与Nesterov方法)在强凸性及光滑性条件下追踪时变最优解的过程进行了全面的理论分析。我们的有限时间界揭示了跟踪误差可被清晰地分解为瞬态分量、噪声诱导分量与漂移诱导分量。该分解展现了一个根本性的权衡:虽然动量常被用作梯度平滑的启发式方法,但在分布漂移条件下,它会引发显式的漂移放大惩罚,且该惩罚随动量参数$β$趋近于1而发散,导致系统性的跟踪滞后。我们在梯度变化约束条件下,通过极小极大下界对这些上界进行了补充,证明这种动量诱导的跟踪惩罚并非分析假象,而是信息理论屏障:在漂移主导机制中,动量方法必然更差,因为陈旧梯度的平均化会强制产生系统性滞后。我们的研究结果为动态环境中动量方法经验性不稳定的现象提供了理论依据,并精确界定了普通SGD可证明优于其加速对应方法的具体机制边界。

0
下载
关闭预览

相关内容

动量方法 (Polyak, 1964) 旨在加速学习,特别是处理高曲率、小但一致的梯度,或是带噪声的梯度。 动量算法积累了之前梯度指数级衰减的移动平均,并且继续沿该方向移动。
【简明书册】(随机)梯度方法的收敛定理手册,68页pdf
专知会员服务
39+阅读 · 2023年1月31日
【干货书】分布式机器学习的优化算法,137页pdf
专知会员服务
74+阅读 · 2022年12月14日
【干货书】凸随机优化,320页pdf
专知会员服务
93+阅读 · 2022年9月16日
【干货书】优化与学习的随机梯度技术,238页pdf
专知会员服务
54+阅读 · 2021年11月22日
通过条件梯度进行结构化机器学习训练,50页ppt与视频
专知会员服务
13+阅读 · 2021年2月25日
专知会员服务
75+阅读 · 2020年12月7日
【干货书】凸随机优化,320页pdf
专知
12+阅读 · 2022年9月16日
自动特征工程在推荐系统中的研究
DataFunTalk
10+阅读 · 2019年12月20日
干货|代码原理教你搞懂SGD随机梯度下降、BGD、MBGD
机器学习研究会
12+阅读 · 2017年11月25日
干货|掌握机器学习数学基础之优化[1](重点知识)
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年11月19日
绝对干货 | 随机梯度下降算法综述
菜鸟的机器学习
15+阅读 · 2017年10月30日
精品公开课 | 随机梯度下降算法综述
七月在线实验室
13+阅读 · 2017年7月11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 · 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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
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 · 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
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员