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正則感知的隨機MGDA:自適應衝突避免更新方向控制

文章摘要

本文提出了一種新的隨機多目標最佳化方法MoRe,透過利用衝突避免方向的Lipschitz連續性,在非凸環境下將收斂率從O(T^{-1/4})提升至O(T^{-1/2}),並給出了每步的衝突避免保證。

來源arXiv Machine Learning作者: Chentong Huang, Lisha Chen
正則感知的隨機MGDA:自適應衝突避免更新方向控制
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多目標學習(MOL)旨在同時最佳化多個目標函式,這在多工學習、強化學習等領域具有廣泛應用。多重梯度下降法(MGDA)是解決該問題的經典演算法,它透過迭代更新一個公共下降方向或衝突避免(CA)方向來平衡不同目標間的梯度衝突。然而,在實際的隨機最佳化場景中,由於小批次取樣引入的梯度噪聲,標準的隨機MGDA(SMG)方法收斂速度較慢。其根本原因在於,梯度噪聲導致更新方向產生偏差,而這與CA方向的連續性密切相關。

本文作者深入分析了CA方向的數學性質,首次嚴格證明CA方向相對於雅可比矩陣是1/2-赫爾德連續的,並且這一指數在一般情況下是最優的、無法改進。這一發現揭示了SMG收斂速度不理想的內在原因。更重要的是,作者發現當子問題滿足一定的正則性條件時,CA方向可以改進為Lipschitz連續,從而允許更快的收斂。基於這一理論洞察,他們提出了隨機多目標正則感知(MoRe)方法。

MoRe演算法的核心思想是自適應地選擇更新策略:當梯度衝突較大時(即CA方向為正則時),利用CA方向的Lipschitz連續性進行高效更新;當衝突較小時,則切換至固定的線性標量化權重更新。這種設計既保證了在大沖突場景下的穩定性,又避免了不必要的計算開銷。理論分析表明,在非凸環境下,MoRe將收斂率從SMG的O(T^{-1/4})提升至O(T^{-1/2})(忽略對數因子),同時每步都保持衝突避免保證。

實驗部分在多個多工學習基準上驗證了MoRe的有效性。結果顯示,MoRe不僅在收斂速度上顯著優於現有方法,而且在多工效能上也取得了更好的表現。收斂行為與理論分析高度一致,進一步證實了方法的可靠性。該工作為隨機多目標最佳化提供了新的理論視角和實用演算法,對機器學習最佳化領域具有重要參考價值。

展開要點與分析

文章情報

研究者進階

要點

  • 證明了衝突避免方向是1/2-赫爾德連續的,且該指數在一般情況下不可改進
  • 提出了MoRe方法,在正則子問題上利用Lipschitz連續性,否則使用固定標量化權重
  • 理論收斂率提升至O(T^{-1/2}),實驗驗證了其在多工學習中的有效性

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