The Variational Monte Carlo (VMC) is a promising approach for computing the ground state energy of many-body quantum problems and attracts more and more interests due to the development of machine learning. The recent paradigms in VMC construct neural networks as trial wave functions, sample quantum configurations using Markov chain Monte Carlo (MCMC) and train neural networks with stochastic gradient descent (SGD) method. However, the theoretical convergence of VMC is still unknown when SGD interacts with MCMC sampling given a well-designed trial wave function. Since MCMC reduces the difficulty of estimating gradients, it has inevitable bias in practice. Moreover, the local energy may be unbounded, which makes it harder to analyze the error of MCMC sampling. Therefore, we assume that the local energy is sub-exponential and use the Bernstein inequality for non-stationary Markov chains to derive error bounds of the MCMC estimator. Consequently, VMC is proven to have a first order convergence rate $O(\log K/\sqrt{n K})$ with $K$ iterations and a sample size $n$. It partially explains how MCMC influences the behavior of SGD. Furthermore, we verify the so-called correlated negative curvature condition and relate it to the zero-variance phenomena in solving eigenvalue functions. It is shown that VMC escapes from saddle points and reaches $(\epsilon,\epsilon^{1/4})$ -approximate second order stationary points or $\epsilon^{1/2}$-variance points in at least $O(\epsilon^{-11/2}\log^{2}(1/\epsilon) )$ steps with high probability. Our analysis enriches the understanding of how VMC converges efficiently and can be applied to general variational methods in physics and statistics.


翻译:变分蒙特卡罗(VMC)是一种有前途的方法,用于计算许多体量子问题的基态能量,由于机器学习的发展,它越来越受到关注。最近在VMC中,使用神经网络作为试探波函数,使用马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)来抽样量子构型,并使用随机梯度下降(SGD)方法训练神经网络。然而,当SGD与设计良好的试探波函数交互时,VMC的理论收敛仍然是未知的。由于MCMC降低了估计梯度的难度,它在实践中不可避免地带有偏差。此外,本地能量可能是无界的,这使得分析MCMC抽样误差更加困难。因此,我们假设本地能量是亚指数级的,并使用非平稳马尔可夫链的Bernstein不等式推导出MCMC估计器的误差界限。结果,证明了VMC具有第一阶收敛速率$O (\log K / \sqrt {n K})$,其中$K$为迭代次数,$n$为样本大小。这在一定程度上解释了MCMC如何影响SGD的行为。此外,我们验证了所谓的相关负曲率条件,并将其与解决特征值函数中的零方差现象相关联。结果表明,VMC从鞍点中逃脱,并以高概率在至少$O(\epsilon^{-11/2}\log^{2}(1/\epsilon) )$步之后到达$(\epsilon,\epsilon^{1/4})$-近似的二阶驻点或$\epsilon^{1/2}$-方差点。我们的分析丰富了对VMC有效收敛的理解,并可应用于物理和统计学中的一般变分方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
70+阅读 · 2022年6月28日
【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
81+阅读 · 2021年12月9日
机器学习组合优化
专知会员服务
106+阅读 · 2021年2月16日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
腊月廿八 | 强化学习-TRPO和PPO背后的数学
AI研习社
17+阅读 · 2019年2月2日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014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
0+阅读 · 2012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
2+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月8日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月7日
VIP会员
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
70+阅读 · 2022年6月28日
【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
81+阅读 · 2021年12月9日
机器学习组合优化
专知会员服务
106+阅读 · 2021年2月16日
【干货书】机器学习速查手册,135页pdf
专知会员服务
122+阅读 · 2020年11月20日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
腊月廿八 | 强化学习-TRPO和PPO背后的数学
AI研习社
17+阅读 · 2019年2月2日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014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
0+阅读 · 2012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
2+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员