降低零阶方法对维度的依赖

• 零阶方法简介
• 降低维度依赖
• 二次函数的收敛性分析
  • 强凸且光滑
  • 凸且光滑
• 参考

零阶方法简介

简单地说，零阶方法是通过访问函数值或者计算函数值的差值来得到下降方向，以此来优化目标函数。

此篇考虑一个 \(L\) 光滑且无约束的函数 \(f\)，

\[\min_{x\in \mathbb{R}^d} f(x). \]

根据Yurri Nesterov等人提出的高斯光滑技巧，我们可以通过

\[\tilde{\nabla}_{\rho} f(x) = \frac{f(x+\rho \xi) - f(x)}{\rho} \cdot \xi, \]

来获得随机下降方向。其中向量\(\xi \sim \mathcal{N}(0, I_d)\)，\(\rho\)是一个比较小的光滑系数。

不难看出，上式子基本是按照定义来近似方向导数的。当光滑系数 \(\rho\to 0\)，那么我们就可以得到

\[\tilde{\nabla} f(x) \stackrel{\Delta}{=} \lim_{\rho \to 0} \tilde{\nabla}_{\rho} f(x) = \langle \nabla f(x), \xi \rangle \cdot \xi, \]

也就是函数 \(f\) 在 \(x\) 点沿着 \(\xi\) 方向的方向导数。

根据Yurri Nesterov等人的结论，沿着获得的 \(\tilde{\nabla}_{\rho} f(x)\) 进行梯度下降，

• 对于光滑且强凸的函数 \(f\), 复杂度为\(\mathcal{O}(d\kappa\log(\frac{1}{\epsilon}))\);
• 对于光滑且凸的函数 \(f\)，复杂度为\(\mathcal{O}(\frac{dL}{\epsilon})\)。

相比于梯度下降法的复杂度，上面的结果都多出来一个\(d\)。对于零阶优化的一个共识就是，由于其只近似一个方向的方向导数，其复杂度是与维度有关的。

降低维度依赖

从上面的结果可以看出，如果当维度比较大的时候，比如对于13B的一个大模型而言，其维度贡献的复杂度就要 \(\mathcal{O}(10^{10})\)。这个复杂度基本是处理不了的，但是Malladi他们实验证明零阶方法是可以微调的，是可以在这种情况下work的。这样的实验结果是跟上面的理论是有一定出入的。

之前研究人员为了降低零阶方法的复杂度与维度的关系，提出过利用 \(l_1\) 范数等方法，将复杂度降低到 \(s\log(d)\) 这种程度。Yue等人对 \(vanilla\) 的零阶方法对于维度的依赖进行了分析。

在他们的分析中，他们引入

\[{\rm{ED}}_{\alpha}=\sup_{x\in \mathbb{R}^d}\sum_{i=1}^d \sigma_i^{\alpha} (\nabla^2 f(x)), \]

其中\(\sigma_{i}\)表示按照降序排列的第\(i\)个奇异值。
同时通过广义的 \(mahalanobis\) 范数，\(\Vert \cdot \Vert_{\nabla^2 f(x)}\)通过如上定义，他们将对维度 \(d\) 的依赖转化为对 \({\rm{ED}}_\alpha\)的依赖。

这样转化的一个好处是，通常 \(Hessian\) 矩阵的奇异值除了一些极个别的比较大之外，其他的都很小。所以奇异值的加和也远小于维度和 \(L\) 的乘积，即 \({\rm{ED}}_{\alpha} \ll dL\)。

二次函数的收敛性分析

下面，我们假定 \(f\) 满足如下的形式：

\[f(x) = \frac{1}{2}x^\top A x+ bx, \]

同时假设获得的函数值满足

\[\vert \tilde{f}(\tilde{x}) - f(\tilde{x})\vert \leq \delta, \]

即控制了函数值的噪音范围。定义带噪音的方向导数估计，

\[\hat{\nabla}_{\rho} \tilde{f}_\delta(x) \stackrel{\Delta}{=} \frac{\tilde{f}_{\delta}(x+\rho \xi) - \tilde{f}_{\delta}(x)} {\rho}\cdot \xi \]

在建立收敛性分析之前，先给出如下引理：

即控制实际的下降方向导数 \(\tilde{\nabla}_{\rho}\tilde{f}_{\delta}(x)\) 和真实的方向导数 \(\tilde{\nabla} f(x)\) 的差距。

强凸且光滑

在强凸条件下，根据光滑的条件，我们可以得到

通过前面的引理，重新整理后可以得到

利用强凸的条件，我们可以消除掉 \(\Vert \nabla f(x)\Vert^2\)项，

\[f(x) \leq f(x^*) + \frac{1}{2\mu}\Vert \nabla f(x)\Vert^2, \]

带入重新整理后可得

即复杂度为\(\mathcal{O}(\frac{\text{ED}_1}{\mu}\log(\frac{1}{\epsilon}))\)。

凸且光滑

利用凸函数的性质，

\[f(x) -f(x^*) \leq \langle \nabla f(x), x - x^*\rangle, \]

再结合柯西施瓦茨不等式，并带入到上面得到的结果

\[\mathbb{E}_{k+1} f(x_{k+1}) \leq f(x_k) - \frac{1}{48 \text{tr}(A)}\Vert \nabla f(x_k)\Vert^2 + \rho^2C_1 + \frac{\sigma^2}{\rho^2}C_2, \]

我们可以得到

即最终的复杂度为 \(\mathcal{O}(\frac{\text{ED}_1}{\epsilon})\)。

对于利用类似 heavy ball 的加速方法和对于一般光滑函数的复杂度，这里略去。

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参考

• Nesterov, Y., & Spokoiny, V. (2017). Random gradient-free minimization of convex functions. Foundations of Computational Mathematics, 17, 527-566.
• Yue, P., Yang, L., Fang, C., & Lin, Z. (2023, July). Zeroth-order optimization with weak dimension dependency. In The Thirty Sixth Annual Conference on Learning Theory (pp. 4429-4472). PMLR.
• Malladi, S., Gao, T., Nichani, E., Damian, A., Lee, J. D., Chen, D., & Arora, S. (2023). Fine-Tuning Language Models with Just Forward Passes. arXiv preprint arXiv:2305.17333.