Mini-batch SGD with momentum is a fundamental algorithm for learning large predictive models. In this paper we develop a new analytic framework to analyze noise-averaged properties of mini-batch SGD for linear models at constant learning rates, momenta and sizes of batches. Our key idea is to consider the dynamics of the second moments of model parameters for a special family of "Spectrally Expressible" approximations. This allows to obtain an explicit expression for the generating function of the sequence of loss values. By analyzing this generating function, we find, in particular, that 1) the SGD dynamics exhibits several convergent and divergent regimes depending on the spectral distributions of the problem; 2) the convergent regimes admit explicit stability conditions, and explicit loss asymptotics in the case of power-law spectral distributions; 3) the optimal convergence rate can be achieved at negative momenta. We verify our theoretical predictions by extensive experiments with MNIST, CIFAR10 and synthetic problems, and find a good quantitative agreement.


翻译:具有动力的微型批量 SGD 是学习大型预测模型的基本算法 。 在本文中, 我们开发了一个新的分析框架, 用于分析线性模型的小型批量 SGD 的噪音平均特性, 以不断学习的速度、 瞬间和批量大小 。 我们的关键想法是考虑“ 具体可见” 近似值特殊组第二个模型参数的动态。 这样可以获得一个清晰的表达方式来生成损失值序列的函数。 通过分析这一生成功能, 我们特别发现:(1) SGD 动态根据问题的光谱分布, 呈现出若干趋同和不同的制度; (2) 趋同制度承认明确的稳定性条件, 以及电法光谱分布中明显的损耗; (3) 最佳趋同率可以在负时实现。 我们通过对MNIST、 CIFAR10 和合成问题进行广泛的实验来验证我们的理论预测, 并找到一个良好的量化协议 。</s>

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