進階最佳化

鏡像下降(mirror descent)

梯度下降悄悄地假設了歐氏幾何:它的更新用一般的直線距離來懲罰「走太遠」,而這只有在每個座標地位相同時才是對的。對於活在機率單純形上的變數,或是稀疏性很自然的情形,另一種「兩點相距多遠」的概念更貼合問題。鏡像下降就是把那種替代幾何嵌進來的有原則的辦法。

你選一個嚴格凸的位勢函數 psi(鏡像映射),它的布雷格曼散度(Bregman divergence)D_psi 衡量點與點之間的接近程度。每一步最小化「線性化的目標加上一個接近度懲罰」:x_{t+1} = argmin_x eta <g_t, x> + D_psi(x, x_t)。等價地說,你透過 psi 的梯度把當前點映射到一個對偶空間,在那裡走一步普通的梯度,再映射回來。把 psi 取為二分之一歐氏範數平方,會還原成單純的梯度下降;取為負熵,則在單純形上得到指數化梯度(exponentiated gradient)或乘法權重更新。

鏡像下降對非歐氏與帶約束的問題達到最優收斂率,是 Hedge 這類線上學習演算法的基礎,並透過它對幾何的選擇與自然梯度密切相關。技藝在於選一個其幾何能匹配約束集或解的結構的位勢,以及推導出那個讓步伐變便宜的對偶映射。

x_{t+1} = \arg\min_{x}\;\eta\langle g_t, x\rangle + D_\psi(x, x_t)

每一步在線性化損失與一個布雷格曼接近項之間取捨。

採用負熵位勢的鏡像下降,正是乘法權重/指數化梯度法,這也是為什麼同一套框架能同時解釋歐氏型 SGD 與單純形約束下的更新。

又称
mirror descent鏡像下降