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极小极大优化中交替更新的根本优势

Jaewook Lee Hanseul Cho Chulhee Yun

摘要

梯度下降-上升算法(Gradient Descent-Ascent, GDA)旨在求解极小极大优化问题,其迭代过程可采用同步方式(Sim-GDA)或交替方式(Alt-GDA)执行下降与上升步骤。尽管在实践中观察到Alt-GDA通常具有更快的收敛速度,但二者在全局收敛速率方面的理论性能差距尚未得到充分理解。为弥合这一理论与实践之间的鸿沟,本文对强凸-强凹以及梯度利普希茨连续的目标函数,分别给出了Sim-GDA与Alt-GDA的精细化收敛性分析。我们提出的Alt-GDA的新迭代复杂度上界严格小于Sim-GDA的下界,从而首次从理论上证明了Alt-GDA具有更快的收敛速度。此外,本文提出一种通用算法框架——交替外推梯度下降-上升算法(Alternating-Extrapolation GDA, Alex-GDA),该框架统一了Sim-GDA与Alt-GDA。其核心思想是:在迭代过程中,交替地基于迭代点的外推值计算梯度。我们证明,Alex-GDA具有更优的迭代复杂度上界,该上界与外梯度法(Extra-gradient method)一致,同时所需梯度计算次数更少。进一步地,我们证明在双线性问题下,Alex-GDA可实现线性收敛,而Sim-GDA与Alt-GDA均无法收敛,从而凸显了Alex-GDA在结构化问题中的优越性。


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