The graduated optimization approach is a heuristic method for finding globally optimal solutions for nonconvex functions and has been theoretically analyzed in several studies. This paper defines a new family of nonconvex functions for graduated optimization, discusses their sufficient conditions, and provides a convergence analysis of the graduated optimization algorithm for them. It shows that stochastic gradient descent (SGD) with mini-batch stochastic gradients has the effect of smoothing the function, the degree of which is determined by the learning rate and batch size. This finding provides theoretical insights from a graduated optimization perspective on why large batch sizes fall into sharp local minima, why decaying learning rates and increasing batch sizes are superior to fixed learning rates and batch sizes, and what the optimal learning rate scheduling is. To the best of our knowledge, this is the first paper to provide a theoretical explanation for these aspects. Moreover, a new graduated optimization framework that uses a decaying learning rate and increasing batch size is analyzed and experimental results of image classification that support our theoretical findings are reported.


翻译:分级优化方法是一种寻找非凸函数全局最优解的启发式方法,并已在多项研究中得到理论分析。本文定义了一类新的适用于分级优化的非凸函数族,讨论了其充分条件,并提供了针对该类函数的分级优化算法收敛性分析。研究表明,采用小批量随机梯度的随机梯度下降(SGD)具有平滑函数的效果,其平滑程度由学习率和批量大小共同决定。这一发现从分级优化的视角提供了理论洞见,揭示了为何大批量大小会陷入尖锐局部极小值、为何衰减学习率与递增批量大小优于固定学习率与批量大小、以及何种学习率调度策略为最优。据我们所知,本文是首个为上述方面提供理论解释的研究。此外,本文还分析了一种采用衰减学习率和递增批量大小的新型分级优化框架,并报告了支持我们理论发现的图像分类实验结果。

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