Stochastic optimization has found wide applications in minimizing objective functions in machine learning, which motivates a lot of theoretical studies to understand its practical success. Most of existing studies focus on the convergence of optimization errors, while the generalization analysis of stochastic optimization is much lagging behind. This is especially the case for nonconvex and nonsmooth problems often encountered in practice. In this paper, we initialize a systematic stability and generalization analysis of stochastic optimization on nonconvex and nonsmooth problems. We introduce novel algorithmic stability measures and establish their quantitative connection on the gap between population gradients and empirical gradients, which is then further extended to study the gap between the Moreau envelope of the empirical risk and that of the population risk. To our knowledge, these quantitative connection between stability and generalization in terms of either gradients or Moreau envelopes have not been studied in the literature. We introduce a class of sampling-determined algorithms, for which we develop bounds for three stability measures. Finally, we apply these discussions to derive error bounds for stochastic gradient descent and its adaptive variant, where we show how to achieve an implicit regularization by tuning the step sizes and the number of iterations.


翻译:在尽量减少机器学习客观功能方面,托盘优化发现在尽量减少机器学习客观功能方面应用得非常广泛,这促使许多理论研究了解其实际成功。大多数现有研究侧重于优化误差的趋同,而对托盘优化的笼统分析则远远落在后面。特别是在实践中经常遇到的非混凝土和非吸附问题的情况。在本文件中,我们开始对非对流体和非对流体问题进行系统的稳定性和总体优化分析。我们引入了新的算法稳定性措施,并在人口梯度与实证梯度之间的差距上建立定量联系,然后进一步扩大这种联系,以研究实验风险的莫罗版与人口风险之间的鸿沟。据我们了解,文献中没有研究过这种在梯度或莫罗封的稳定性和一般化之间的定量联系。我们引入了一组抽样确定算法,为此我们为三种稳定性措施制定了界限。最后,我们运用这些讨论来得出关于人口梯度梯度梯度下降及其适应性变差之间的误差界限,然后将之进一步扩展,以研究实验性梯度风险与人口风险范围之间的差距。据我们了解如何通过一步调整其大小和步数实现隐性正规化。

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