In this paper, we consider non-convex multi-block bilevel optimization (MBBO) problems, which involve $m\gg 1$ lower level problems and have important applications in machine learning. Designing a stochastic gradient and controlling its variance is more intricate due to the hierarchical sampling of blocks and data and the unique challenge of estimating hyper-gradient. We aim to achieve three nice properties for our algorithm: (a) matching the state-of-the-art complexity of standard BO problems with a single block; (b) achieving parallel speedup by sampling $I$ blocks and sampling $B$ samples for each sampled block per-iteration; (c) avoiding the computation of the inverse of a high-dimensional Hessian matrix estimator. However, it is non-trivial to achieve all of these by observing that existing works only achieve one or two of these properties. To address the involved challenges for achieving (a, b, c), we propose two stochastic algorithms by using advanced blockwise variance-reduction techniques for tracking the Hessian matrices (for low-dimensional problems) or the Hessian-vector products (for high-dimensional problems), and prove an iteration complexity of $O(\frac{m\epsilon^{-3}\mathbb{I}(I<m)}{I\sqrt{I}} + \frac{m\epsilon^{-3}}{I\sqrt{B}})$ for finding an $\epsilon$-stationary point under appropriate conditions. We also conduct experiments to verify the effectiveness of the proposed algorithms comparing with existing MBBO algorithms.


翻译:摘要:本文研究非凸多模块双层优化(MBBO)问题,该问题包含 $m\gg 1$ 个下层问题,并在机器学习领域具有重要应用。由于模块与数据的层次化采样以及超梯度估计的特殊挑战,设计随机梯度并控制其方差更为复杂。我们的目标是为算法实现三个优良特性:(a)达到标准单模块双层优化问题的最优复杂度;(b)通过每轮采样 $I$ 个模块、每个采样模块抽取 $B$ 个样本实现并行加速;(c)避免计算高维海森矩阵估计量的逆。然而,现有工作仅能实现其中一或两个特性,同时实现所有目标具有显著难度。针对达成(a, b, c)所面临的挑战,我们提出两种随机算法:通过采用先进的分块方差缩减技术追踪海森矩阵(适用于低维问题)或海森-向量乘积(适用于高维问题),并证明了在适当条件下寻找 $\epsilon$-稳定点的迭代复杂度为 $O(\frac{m\epsilon^{-3}\mathbb{I}(I<m)}{I\sqrt{I}} + \frac{m\epsilon^{-3}}{I\sqrt{B}})$。我们通过实验验证了所提算法相较于现有MBBO算法的有效性。

0
下载
关闭预览

相关内容

Meta最新WWW2022《联邦计算导论》教程,附77页ppt
专知会员服务
60+阅读 · 2022年5月5日
南大《优化方法 (Optimization Methods》课程,推荐!
专知会员服务
80+阅读 · 2022年4月3日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
专知会员服务
124+阅读 · 2020年9月8日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
深度自进化聚类:Deep Self-Evolution Clustering
我爱读PAMI
15+阅读 · 2019年4月13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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月16日
Arxiv
0+阅读 · 2023年7月15日
VIP会员
最新内容
帕兰蒂尔Maven:军事人工智能的新纪元
专知会员服务
0+阅读 · 49分钟前
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
2+阅读 · 5月31日
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
《Palantir任务保障性软件安全标准(MA-S2)》
专知会员服务
19+阅读 · 5月30日
相关VIP内容
Meta最新WWW2022《联邦计算导论》教程,附77页ppt
专知会员服务
60+阅读 · 2022年5月5日
南大《优化方法 (Optimization Methods》课程,推荐!
专知会员服务
80+阅读 · 2022年4月3日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14日
专知会员服务
124+阅读 · 2020年9月8日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
相关资讯
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
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员