Öğrenme için proksimal gradyan yöntemleri - Proximal gradient methods for learning

Proksimal gradyan (ileri geri bölme) öğrenme yöntemleri bir araştırma alanıdır optimizasyon ve istatistiksel öğrenme teorisi genel bir sınıf için algoritmaları inceleyen dışbükey düzenleme düzenleme cezasının olmayabileceği sorunlar ayırt edilebilir. Böyle bir örnek formun düzenlenmesi (Kement olarak da bilinir)

Proksimal gradyan yöntemleri, belirli bir problem uygulamasına göre uyarlanmış cezalar ile istatistiksel öğrenme teorisinden düzenlenme problemlerini çözmek için genel bir çerçeve sunar.[1][2] Bu tür özelleştirilmiş cezalar, sorun çözümlerinde belirli bir yapı oluşturmaya yardımcı olabilir, örneğin: kıtlık (bu durumuda kement ) veya Grup yapısı (bu durumuda grup kementi ).

İlgili arka plan

Proksimal gradyan yöntemleri çözmek için çok çeşitli senaryolarda uygulanabilir dışbükey optimizasyon formun sorunları

nerede dır-dir dışbükey ve ayırt edilebilir Sürekli Lipschitz gradyan, bir dışbükey, daha düşük yarı sürekli muhtemelen ayırt edilemeyen işlev ve bir takım, tipik olarak bir Hilbert uzayı. Olağan kriteri küçültür ancak ve ancak dışbükeyde, türevlenebilir ayarın yerini artık

nerede gösterir alt farklı gerçek değerli, dışbükey bir fonksiyonun .

Dışbükey bir işlev verildiğinde dikkate alınması gereken önemli bir operatör, yakınlık operatörü tarafından tanımlandı

katı dışbükeyliği nedeniyle iyi tanımlanmıştır. norm. Yakınlık operatörü bir genelleme olarak görülebilir. projeksiyon.[1][3][4]Yakınlık operatörünün önemli olduğunu görüyoruz çünkü problemi en aza indirir ancak ve ancak

nerede herhangi bir pozitif gerçek sayıdır.[1]

Moreau ayrışması

Proksimal gradyan yöntemleriyle ilgili önemli bir teknik, Moreau ayrışması, kimlik operatörünü iki yakınlık operatörünün toplamı olarak ayrıştırır.[1] Yani olmak daha düşük yarı sürekli vektör uzayında dışbükey fonksiyon . Biz onun Çemen konjugatı işlev olmak

Moreau'nun ayrıştırmasının genel biçimi, herhangi bir Ve herhangi biri o

hangisi için ima ediyor ki .[1][3] Moreau ayrıştırması, yakınlık operatörlerinin projeksiyonların genelleştirmeleri olduğu gerçeğine benzer şekilde, bir vektör uzayının olağan ortogonal ayrışmasının bir genellemesi olarak görülebilir.[1]

Bazı durumlarda, konjugat için yakınlık operatörünü hesaplamak daha kolay olabilir. işlev yerine ve bu nedenle Moreau ayrıştırması uygulanabilir. Bu durum için grup kementi.

Kement düzenlemesi

Yi hesaba kat Düzenlenmiş ampirik risk minimizasyonu kare kaybı sorunu ve norm düzenleme cezası olarak:

nerede düzenleştirme problemine bazen kement (en az mutlak büzülme ve seçim operatörü ).[5] Böyle düzenlileştirme sorunları ilginçtir çünkü seyrek çözümler, yani çözümler minimizasyon problemine göre sıfır olmayan daha az bileşen vardır. Kement, dışbükey olmayan sorunun dışbükey gevşemesi olarak görülebilir.

nerede gösterir Vektörün sıfır olmayan girişlerinin sayısı olan "norm" . Seyrek çözümler, sonuçların yorumlanabilirliği için öğrenme teorisinde özellikle ilgi çekicidir: seyrek bir çözüm, az sayıda önemli faktörü tanımlayabilir.[5]

İçin çözme yakınlık operatörü

Basit olması için dikkatimizi soruna sınırlıyoruz. . Sorunu çözmek

amaç işlevimizi iki bölümde ele alıyoruz: dışbükey, farklılaştırılabilir bir terim ve bir dışbükey işlev . Bunu not et kesinlikle dışbükey değildir.

Yakınlık operatörünü hesaplayalım . İlk önce yakınlık operatörünün alternatif bir karakterizasyonunu buluyoruz aşağıdaki gibi:

İçin hesaplaması kolay : inci girişi tam olarak

Yukarıda verilen yakınlık operatörünün yeniden karakterizasyonunu kullanarak, ve bizde var giriş yönünden tanımlanır

olarak bilinen yumuşak eşikleme Şebeke .[1][6]

Sabit nokta yinelemeli şemalar

Sonunda kement problemini çözmek için daha önce gösterilen sabit nokta denklemini ele alıyoruz:

Yakınlık operatörünün şeklini açık bir şekilde hesapladığımıza göre, standart bir sabit nokta yineleme prosedürü tanımlayabiliriz. Yani, bazı baş harflerini düzeltin , ve için tanımlamak

Ampirik hata terimi arasındaki etkili ödünleşime dikkat edin ve düzenleme cezası . Bu sabit nokta yöntemi, amaç fonksiyonu içeren iki farklı dışbükey fonksiyonun etkisini bir gradyan iniş adımına ayırmıştır () ve bir yumuşak eşikleme adımı ( ).

Bu sabit nokta şemasının yakınsaması literatürde iyi incelenmiştir.[1][6] ve uygun adım boyutu seçimi altında garanti edilir ve kayıp işlevi (burada alınan kare kaybı gibi). Hızlandırılmış yöntemler 1983 yılında Nesterov tarafından tanıtıldı ve bu, belirli düzenlilik varsayımları altında yakınsama oranını iyileştirdi. .[7] Bu tür yöntemler, önceki yıllarda yoğun bir şekilde incelenmiştir.[8]Yakınlık operatörünün bazı düzenleme terimleri için açık bir şekilde hesaplanamadığı daha genel öğrenme problemleri için bu tür sabit nokta şemaları, hem gradyan hem de yakınlık operatörüne yaklaşımlar kullanılarak yine de gerçekleştirilebilir.[4][9]

Pratik hususlar

Geçtiğimiz on yıl içinde çok sayıda gelişme oldu. dışbükey optimizasyon istatistiksel öğrenme teorisinde proksimal gradyan yöntemlerinin uygulanmasını etkileyen teknikler. Burada, bu yöntemlerin pratik algoritmik performansını büyük ölçüde artırabilecek birkaç önemli konuyu inceleyeceğiz.[2][10]

Uyarlanabilir adım boyutu

Sabit nokta yineleme şemasında

değişken adım boyutuna izin verilebilir sabit yerine . Literatür boyunca çok sayıda uyarlanabilir adım boyutu şeması önerilmiştir.[1][4][11][12] Bu şemaların uygulamaları[2][13] bunların sabit nokta yakınsaması için gereken yineleme sayısında önemli iyileştirmeler sağlayabileceğini öne sürün.

Elastik ağ (karışık norm düzenlenmesi)

Elastik ağ düzenlenmesi saflığa bir alternatif sunar düzenlileştirme. Kement sorunu () düzenleme ceza terimini içerir , bu kesinlikle dışbükey değildir. Dolayısıyla, çözümler nerede bazı ampirik kayıp fonksiyonudur, benzersiz olması gerekmez. Bu genellikle, ek bir kesinlikle dışbükey terimin dahil edilmesiyle önlenir. norm düzenleme cezası. Örneğin, sorun düşünülebilir

nerede İçin ceza süresi artık tamamen dışbükeydir ve bu nedenle, küçültme problemi artık benzersiz bir çözümü kabul etmektedir. Yeterince küçük olduğu gözlemlenmiştir. ek ceza terimi bir ön koşullayıcı görevi görür ve çözümlerin seyrekliğini olumsuz yönde etkilemeden yakınsamayı büyük ölçüde iyileştirebilir.[2][14]

Grup yapısını istismar etmek

Proksimal gradyan yöntemleri, çok çeşitli problemlere uygulanabilen genel bir çerçeve sağlar. istatistiksel öğrenme teorisi. Öğrenmedeki belirli sorunlar, genellikle bilinen ek yapıya sahip verileri içerebilir. Önsel. Geçtiğimiz birkaç yılda, farklı uygulamalara göre uyarlanmış yöntemler sağlamak için grup yapısı hakkındaki bilgileri birleştiren yeni gelişmeler olmuştur. Burada bu tür birkaç yöntemi inceliyoruz.

Grup kementi

Grup kementi, kement yöntemi özellikler ayrık bloklar halinde gruplandığında.[15] Özelliklerin bloklar halinde gruplandığını varsayalım . Burada bir düzenlilik cezası alıyoruz

hangisinin toplamı farklı gruplar için karşılık gelen özellik vektörlerine ilişkin norm. Yukarıdaki gibi benzer bir yakınlık operatörü analizi, bu ceza için yakınlık operatörünü hesaplamak için kullanılabilir. Kement cezasının her bir bileşen üzerinde yumuşak eşik olan bir yakınlık operatörüne sahip olduğu durumlarda, grup kementi için yakınlık operatörü, her grupta yumuşak eşiktir. Grup için yakınlık operatörümüz var tarafından verilir

nerede ... inci grup.

Kementin tersine, grup kementi için yakınlık operatörünün türetilmesi, Moreau ayrışması. Burada grup kement cezasının eşleniğinin yakınlık operatörü, top bir ikili norm.[2]

Diğer grup yapıları

Özelliklerin ayrık bloklar halinde gruplandığı grup kement probleminin aksine, gruplanmış unsurların üst üste binmesi veya iç içe bir yapıya sahip olması durumu olabilir. Grup kementinin bu tür genellemeleri çeşitli bağlamlarda ele alınmıştır.[16][17][18][19] Örtüşen gruplar için yaygın bir yaklaşım şu şekilde bilinir: gizli grup kement Bu, örtüşmeyi hesaba katmak için gizli değişkenler sunar.[20][21] İç içe geçmiş grup yapıları, hiyerarşik yapı tahmini Ve birlikte yönlendirilmiş döngüsel olmayan grafikler.[18]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d e f g h ben Combettes, Patrick L .; Wajs, Valérie R. (2005). "Proksimal İleri-Geri Bölme ile Sinyal Kurtarma". Çok Ölçekli Model. Simul. 4 (4): 1168–1200. doi:10.1137/050626090.
  2. ^ a b c d e Mosci, S .; Rosasco, L .; Matteo, S .; Verri, A .; Villa, S. (2010). "Yapılandırılmış Seyreklik Düzenlemesini Proksimal Yöntemlerle Çözme". Veritabanlarında Makine Öğrenimi ve Bilgi Keşfi. Bilgisayar Bilimi Ders Notları. 6322: 418–433. doi:10.1007/978-3-642-15883-4_27. ISBN  978-3-642-15882-7.
  3. ^ a b Moreau, J.-J. (1962). "Fonctions dışbükey ikililer ve hilbertien yakın bir noktaya işaret ediyor". Rendus de l'Académie des Sciences, Série A'dan oluşur. 255: 2897–2899. BAY  0144188. Zbl  0118.10502.
  4. ^ a b c Bauschke, H.H. ve Combettes, P.L. (2011). Hilbert uzaylarında dışbükey analiz ve monoton operatör teorisi. Springer.
  5. ^ a b Tibshirani, R. (1996). "Kement yoluyla gerileme küçülme ve seçim". J. R. Stat. Soc. Ser. B. 1. 58 (1): 267–288.
  6. ^ a b Daubechies, I .; Defrise, M .; De Mol, C. (2004). "Seyreklik kısıtı olan doğrusal ters problem için yinelemeli eşikleme algoritması". Comm. Pure Appl. Matematik. 57 (11): 1413–1457. arXiv:matematik / 0307152. doi:10.1002 / cpa.20042.
  7. ^ Nesterov Yurii (1983). "Yakınsama oranıyla bir dışbükey programlama problemini çözme yöntemi ". Sovyet Matematiği - Doklady. 27 (2): 372–376.
  8. ^ Nesterov Yurii (2004). Dışbükey Optimizasyona Giriş Dersleri. Kluwer Academic Publisher.
  9. ^ Villa, S .; Salzo, S .; Baldassarre, L .; Verri, A. (2013). "Hızlandırılmış ve kesin olmayan ileri-geri algoritmalar". SIAM J. Optim. 23 (3): 1607–1633. CiteSeerX  10.1.1.416.3633. doi:10.1137/110844805.
  10. ^ Bach, F .; Jenatton, R .; Mairal, J .; Obozinski, Gl. (2011). "Seyreklik yaratan cezalarla optimizasyon". Makine Öğreniminde Temeller ve Eğilimler. 4 (1): 1–106. arXiv:1108.0775. Bibcode:2011arXiv1108.0775B. doi:10.1561/2200000015.
  11. ^ Loris, I .; Bertero, M .; De Mol, C .; Zanella, R .; Zanni, L. (2009). "Eğim projeksiyonunun hızlandırılması - adım uzunluğu seçim kuralları ile kısıtlı sinyal kurtarma ". Uygulanan ve Comp. Harmonik Analiz. 27 (2): 247–254. arXiv:0902.4424. doi:10.1016 / j.acha.2009.02.003.
  12. ^ Wright, S.J .; Nowak, R.D .; Figueiredo, M.A.T. (2009). "Ayrılabilir yaklaşımla seyrek rekonstrüksiyon". IEEE Trans. Görüntü İşlemi. 57 (7): 2479–2493. Bibcode:2009ITSP ... 57.2479W. doi:10.1109 / TSP.2009.2016892.
  13. ^ Loris Ignace (2009). "En aza indirgemek için algoritmaların performansı hakkında cezalandırılmış işlevler ". Ters Problemler. 25 (3): 035008. arXiv:0710.4082. Bibcode:2009InvPr. 25c5008L. doi:10.1088/0266-5611/25/3/035008.
  14. ^ De Mol, C .; De Vito, E .; Rosasco, L. (2009). "Öğrenme teorisinde elastik-ağ düzenlenmesi". J. Karmaşıklık. 25 (2): 201–230. arXiv:0807.3423. doi:10.1016 / j.jco.2009.01.002.
  15. ^ Yuan, M .; Lin, Y. (2006). "Gruplandırılmış değişkenlerle regresyonda model seçimi ve tahmin". J. R. Stat. Soc. B. 68 (1): 49–67. doi:10.1111 / j.1467-9868.2005.00532.x.
  16. ^ Chen, X .; Lin, Q .; Kim, S .; Carbonell, J.G .; Xing, E.P. (2012). "Genel yapılandırılmış seyrek regresyon için düzleştirme proksimal gradyan yöntemi". Ann. Appl. İstatistik. 6 (2): 719–752. arXiv:1005.4717. doi:10.1214 / 11-AOAS514.
  17. ^ Mosci, S .; Villa, S .; Verri, A .; Rosasco, L. (2010). "Örtüşen gruplarla grup seyrek düzenlenmesi için bir ilkel-ikili algoritma". NIPS. 23: 2604–2612.
  18. ^ a b Jenatton, R .; Audibert, J.-Y .; Bach, F. (2011). "Seyrekliği tetikleyen normlarla yapılandırılmış değişken seçimi". J. Mach. Öğrenin. Res. 12: 2777–2824. arXiv:0904.3523. Bibcode:2009arXiv0904.3523J.
  19. ^ Zhao, P .; Rocha, G .; Yu, B. (2009). "Gruplandırılmış ve hiyerarşik değişken seçimi için bileşik mutlak cezalar ailesi". Ann. İstatistik. 37 (6A): 3468–3497. arXiv:0909.0411. Bibcode:2009arXiv0909.0411Z. doi:10.1214 / 07-AOS584.
  20. ^ Obozinski, Guillaume; Jacob, Laurent; Vert, Jean-Philippe (2011). "Çakışmalı Grup Kementi: Gizli Grup Kementi yaklaşımı". arXiv:1110.0413 [stat.ML ].
  21. ^ Villa, Silvia; Rosasco, Lorenzo; Mosci, Sofya; Verri Alessandro (2012). "Gizli grup kement cezası için proksimal yöntemler". arXiv:1209.0368 [math.OC ].