Momentum has become a crucial component in deep learning optimizers, necessitating a comprehensive understanding of when and why it accelerates stochastic gradient descent (SGD). To address the question of ''when'', we establish a meaningful comparison framework that examines the performance of SGD with Momentum (SGDM) under the \emph{effective learning rates} $\eta_{ef}$, a notion unifying the influence of momentum coefficient $\mu$ and batch size $b$ over learning rate $\eta$. In the comparison of SGDM and SGD with the same effective learning rate and the same batch size, we observe a consistent pattern: when $\eta_{ef}$ is small, SGDM and SGD experience almost the same empirical training losses; when $\eta_{ef}$ surpasses a certain threshold, SGDM begins to perform better than SGD. Furthermore, we observe that the advantage of SGDM over SGD becomes more pronounced with a larger batch size. For the question of ``why'', we find that the momentum acceleration is closely related to \emph{abrupt sharpening} which is to describe a sudden jump of the directional Hessian along the update direction. Specifically, the misalignment between SGD and SGDM happens at the same moment that SGD experiences abrupt sharpening and converges slower. Momentum improves the performance of SGDM by preventing or deferring the occurrence of abrupt sharpening. Together, this study unveils the interplay between momentum, learning rates, and batch sizes, thus improving our understanding of momentum acceleration.


翻译:动量已成为深度学习优化器中的关键组成部分,这促使我们全面理解它何时以及为何能加速随机梯度下降(SGD)。针对“何时”的问题,我们建立了一个有意义的比较框架,在有效学习率$\eta_{ef}$下考察带动量SGD(SGDM)的性能。有效学习率统一了动量系数$\mu$和批量大小$b$对学习率$\eta$的影响。在比较相同有效学习率和相同批量大小的SGDM与SGD时,我们观察到一个一致模式:当$\eta_{ef}$较小时,SGDM与SGD的经验训练损失几乎相同;当$\eta_{ef}$超过某个阈值后,SGDM开始优于SGD。此外,我们发现SGDM相对于SGD的优势随批量增大而更加显著。针对“为何”的问题,我们发现动量加速与“突增锐化”密切相关——即沿更新方向的黑塞矩阵方向急剧跃升的现象。具体而言,SGD与SGDM的差异恰发生在SGD经历突增锐化且收敛变慢的时刻。动量通过阻止或延缓突增锐化的出现来提升SGDM的性能。本研究共同揭示了动量、学习率与批量大小之间的相互作用,从而加深了对动量加速的理解。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月4日
Arxiv
26+阅读 · 2022年1月3日
Arxiv
38+阅读 · 2020年12月2日
Arxiv
15+阅读 · 2018年6月23日
Arxiv
25+阅读 · 2018年1月24日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 6月17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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2023年8月4日
Arxiv
26+阅读 · 2022年1月3日
Arxiv
38+阅读 · 2020年12月2日
Arxiv
15+阅读 · 2018年6月23日
Arxiv
25+阅读 · 2018年1月24日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+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
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员