Strategy/_archive/neuler_variance_reduction_papers.md
+

neuler_variance_reduction_papers

Neuler: Variance Reduction Methods — Key Papers

Ключевые статьи по variance reduction для стохастической оптимизации.
Дополняет коллекцию operator splitting papers в Neuler library.


1. SVRG — Stochastic Variance Reduced Gradient

Johnson, R. & Zhang, T. (2013).
Accelerating Stochastic Gradient Descent using Predictive Variance Reduction.
NeurIPS 2013, pp. 315–323.

  • arXiv: нет (proceedings only: papers.nips.cc)
  • Идея: периодически вычислять полный градиент (snapshot), использовать его для коррекции стохастического градиента → дисперсия → 0 при сходимости
  • Теория: линейная сходимость для сильно выпуклых функций
  • Почему важна: первая работа, показавшая что VR даёт линейную сходимость SGD-класса методов без уменьшения шага

2. SAGA

Defazio, A., Bach, F. & Lacoste-Julien, S. (2014).
SAGA: A Fast Incremental Gradient Method With Support for Non-Strongly Convex Composite Objectives.
NeurIPS 2014.

  • arXiv: 1407.0202
  • Идея: хранит таблицу последних градиентов по каждому примеру, использует несмещённый estimator с variance reduction
  • Теория: линейная сходимость, поддержка non-strongly convex случая (в отличие от SVRG)
  • Преимущество: online updates (не нужен двойной проход как в SVRG)

3. SARAH — Stochastic Recursive Gradient

Nguyen, L.M., Liu, J., Scheinberg, K. & Takáč, M. (2017).
SARAH: A Novel Method for Machine Learning Problems Using Stochastic Recursive Gradient.
ICML 2017.

  • arXiv: 1703.00102
  • Идея: рекурсивное обновление estimatora: $v_t = \nabla f_{i_t}(x_t) - \nabla f_{i_t}(x_{t-1}) + v_{t-1}$ — смещённый, но малодисперсный
  • Теория: сублинейная для невыпуклых, линейная для сильно выпуклых
  • Особенность: смещённый estimator (в отличие от SVRG/SAGA) — но практически работает лучше

4. SPIDER — Stochastic Path-Integrated Differential EstimatoR

Fang, C., Li, C.J., Lin, Z. & Zhang, T. (2018).
SPIDER: Near-Optimal Non-Convex Optimization via Stochastic Path-Integrated Differential Estimator.
NeurIPS 2018.

  • arXiv: 1807.01695
  • Идея: двухуровневый recursive gradient estimator (как SARAH), но с адаптивным периодом snapshot
  • Теория: near-optimal сложность $O(\epsilon^{-3})$ для невыпуклых задач — лучше, чем SGD ($O(\epsilon^{-4})$)
  • Почему важна: доказала оптимальность класса VR-методов для невыпуклой оптимизации

5. L-SVRG — Loopless SVRG

Kovalev, D., Horváth, S. & Richtárik, P. (2020).
Don’t Jump Through Hoops and Remove Those Loops: SVRG and Katyusha are Better Without the Outer Loop.
ALT 2020 (Algorithmic Learning Theory).

  • arXiv: 1901.01555
  • Идея: убирает внешний цикл SVRG → snapshot обновляется случайно с вероятностью $p$ на каждой итерации
  • Теория: та же сходимость, но анализ чище; легче параллелизовать
  • Связь с Neuler: авторы — Richtárik (наш коллаборатор по некоторым работам)

6. PAGE — Probabilistic Gradient Estimator

Li, Z., Bao, H., Zhang, X. & Richtárik, P. (2021).
PAGE: A Simple and Optimal Probabilistic Gradient Estimator for Nonconvex Optimization.
ICML 2021.

  • arXiv: 2008.10898
  • DOI: 10.48550/arXiv.2008.10898
  • Идея: на каждой итерации с вероятностью $p$ вычисляет mini-batch gradient, с вероятностью $1-p$ делает дешёвое VR-обновление (как SPIDER)
  • Теория: near-optimal для невыпуклых задач, унифицирует SPIDER/SGD
  • Почему важна: простейший near-optimal estimator для невыпуклой оптимизации

7. SpiderBoost

Wang, Z., Ji, K., Zhou, Y., Liang, Y. & Tarokh, V. (2019).
SpiderBoost and Momentum: Faster Stochastic Variance Reduction Algorithms.
NeurIPS 2019.

  • arXiv: 1910.10948
  • Идея: улучшает SPIDER: использует larger step sizes, совместим с моментом
  • Теория: улучшает константы в оценках сложности SPIDER

Сводная таблица

Метод Год Тип задачи Сложность Тип estimator
SVRG 2013 Сильно выпуклая $O(n + n^{2/3}\epsilon^{-1})$ Несмещённый
SAGA 2014 Выпуклая/СВ $O((n+L/\mu)\log(1/\epsilon))$ Несмещённый
SARAH 2017 Невыпуклая/СВ $O(n + n^{1/2}\epsilon^{-2})$ Смещённый
SPIDER 2018 Невыпуклая $O(n^{1/2}\epsilon^{-3})$ Смещённый
L-SVRG 2020 Сильно выпуклая то же что SVRG Несмещённый
PAGE 2021 Невыпуклая $O(n^{1/2}\epsilon^{-3})$ Вероятностный
SpiderBoost 2019 Невыпуклая $O(n^{1/2}\epsilon^{-3})$ Смещённый

Сгенерировано worker 2026-04-10. Для добавления в Neuler library через neuler_library_batch_add с проверкой по DOI.

Choose icon