Stochastic Approximation 随机近似方法的详解之(二)Robbins-Monro Algorithm

强化学习:随机近似与随机梯度下降 阅读详情

6.2 Robbins-Monro Algorithm

RM算法是随机近似领域的先驱性工作。众所周知的随机梯度下降算法是RM算法的一种特殊情况。后面我们再介绍具体的细节。

先看一个例子:

我们想要去求下面这个等式的根,
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BTW,很多问题可以被转化为求根问题。比如,J(w)J(w)J(w) 是我们要最小化的目标函数。它其实可以被等价转化为下面这个等式的求根问题:
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当函数g的表达式已知或者它的导数已知的时候,求解当然很简单。但是当g未知的时候(比如是一个神经网络或者g不能被精确观察到的时候),问题就困难起来了。这个时候我们知道的是什么呢?

只有输入www 和带有噪声的输出g~(w,η)\tilde{g}(w, \eta)g~​(w,η),我们要根据他们两个来解这个g(w)=0g(w)=0g(w)=0的方程。

RM 算法如下:
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其中wkw_kwk​是第k次对根的估测,g~(w,η)\tilde{g}(w, \eta)g~​(w,η) 是第 kkk 个有噪声的观测。aka_kak​是一个正的系数。

下面我们来看一个应用RM算法的例子:
在这里插入图片描述

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我们再看另一个例子:
g(w)=tanh⁡(w−1)g(w)=\tanh (w-1)g(w)=tanh(w−1) ,我们知道g(w)=0g(w)=0g(w)=0的根为1,我们从w1=3w_1=3w1​=3开始迭代,并且设定ak=1/ka_k=1/kak​=1/k,结果是什么呢?下图展示了wiw_iwi​的动态更新过程。

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RM算法的收敛特性怎么去证明呢?
见《Mathematical Foundation of Reinforcement Learning》Shiyu Zhao P107

应用RM到均值估测上面

均值估计的原始问题为:
在这里插入图片描述

我们提到,在αk\alpha_kαk​满足一些温和的条件的时候,w是会收敛到E[X]\mathbb{E}[X]E[X] 的。
我们接下来说明它是特殊的RM算法。

建立如下函数,求解w的问题就变成了求g(w)=0g(w)=0g(w)=0的问题。
在这里插入图片描述
下面是我们观测到的输出:
在这里插入图片描述

如何去解释这个输出呢?其实它可以拆分为g~(w)+η\tilde{g}(w)+\etag~​(w)+η 这就符合了RM算法的设定。可以使用RM方法求解了。
在这里插入图片描述
其实我们发现了,在g~(wk,ηk)\tilde{g}(w_k,\eta_k)g~​(wk​,ηk​)展开之后,和前面用迭代更新方法求均值是一模一样的。

对RM算法的收敛性感兴趣的朋友可以参考我的下一篇搬运:
Dvoretzky’s convergence theorem

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