本文涉及由马尔可夫噪声驱动的随机近似的收敛和渐近统计：$$ \ theta_ {n + 1} = \ theta_n + \ alpha_ {n + 1} f（\ theta_n，\ phi_ {n + 1}）\， ，\ quad n \ ge 0，$$，其中每个$ \ theta_n \ in \ re ^ d $，$ \ {\ phi_n \} $是一般状态空间x上的马尔可夫链，静止分配$ \ pi $和$ f：\ re ^ d \ times \ text {x} \ to \ re ^ d $。除了在$ f $的标准lipschitz边界，以及消失的步骤大小序列$ \ {\ alpha_n \ \} $的条件外，假设相关ode是全局渐近稳定的静止点表示$ \ theta ^ * $ ，其中$ \ bar f（\ theta）= e [f（\ theta，\ phi）] $ with $ \ phi \ sim \ pi $。而且，ode @ $ \ infty $ virect with advoore字段，$$ \ bar f_ \ idty（\ theta）：= \ lim_ {r \ to \ infty} r ^ { - 1} \ bar f（r \ theta）\ ,, \ qquad \ theta \ in \ re ^ d，$$是渐近稳定的。主要贡献总结如下：（i）如果$ \ phi $是几何ergodic，则序列$ \ theta $是融合的，并且在$ f $兼容兼容的界限。剩余的结果是在马尔可夫链的更强大假设下建立：Donsker-varadhan Lyapunov漂移条件的稍微弱版本（DV3）。 （ii）为联合过程$ \ {\ theta_n，\ phi_n \} $构建Lyapunov函数，这意味着$ \ {\ theta_n \} $ in $ l_4 $的融合。 （iii）建立了功能性CLT，以及归一化误差$ z_n：=（\ theta_n- \ theta ^ *）/ \ sqrt {\ alpha_n} $的常规一维CLT。时刻界限结合了CLT暗示了归一化协方差的收敛，$$ \ lim_ {n \ to \ infty} e [z_n z_n ^ t] = \ sigma_ \ theta，$$在$ \ sigma_ \ theta $ where asbptotic协方差出现在CLT中。 （iv）提供了一个例子，其中马尔可夫链$ \ phi $是几何ergodic，但它不满足（dv3）。虽然算法收敛，但第二个时刻是无限的。

In this paper, we study the almost sure boundedness and the convergence of the stochastic approximation (SA) algorithm. At present, most available convergence proofs are based on the ODE method, and the almost sure boundedness of the iterations is an assumption and not a conclusion. In Borkar-Meyn (2000), it is shown that if the ODE has only one globally attractive equilibrium, then under additional assumptions, the iterations are bounded almost surely, and the SA algorithm converges to the desired solution. Our objective in the present paper is to provide an alternate proof of the above, based on martingale methods, which are simpler and less technical than those based on the ODE method. As a prelude, we prove a new sufficient condition for the global asymptotic stability of an ODE. Next we prove a ``converse'' Lyapunov theorem on the existence of a suitable Lyapunov function with a globally bounded Hessian, for a globally exponentially stable system. Both theorems are of independent interest to researchers in stability theory. Then, using these results, we provide sufficient conditions for the almost sure boundedness and the convergence of the SA algorithm. We show through examples that our theory covers some situations that are not covered by currently known results, specifically Borkar-Meyn (2000).

We consider stochastic gradient descents on the space of large symmetric matrices of suitable functions that are invariant under permuting the rows and columns using the same permutation. We establish deterministic limits of these random curves as the dimensions of the matrices go to infinity while the entries remain bounded. Under a "small noise" assumption the limit is shown to be the gradient flow of functions on graphons whose existence was established in arXiv:2111.09459. We also consider limits of stochastic gradient descents with added properly scaled reflected Brownian noise. The limiting curve of graphons is characterized by a family of stochastic differential equations with reflections and can be thought of as an extension of the classical McKean-Vlasov limit for interacting diffusions. The proofs introduce a family of infinite-dimensional exchangeable arrays of reflected diffusions and a novel notion of propagation of chaos for large matrices of interacting diffusions.

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

We study the problem of estimating the fixed point of a contractive operator defined on a separable Banach space. Focusing on a stochastic query model that provides noisy evaluations of the operator, we analyze a variance-reduced stochastic approximation scheme, and establish non-asymptotic bounds for both the operator defect and the estimation error, measured in an arbitrary semi-norm. In contrast to worst-case guarantees, our bounds are instance-dependent, and achieve the local asymptotic minimax risk non-asymptotically. For linear operators, contractivity can be relaxed to multi-step contractivity, so that the theory can be applied to problems like average reward policy evaluation problem in reinforcement learning. We illustrate the theory via applications to stochastic shortest path problems, two-player zero-sum Markov games, as well as policy evaluation and $Q$-learning for tabular Markov decision processes.

我们调查了一定类别的功能不等式，称为弱Poincar的不等式，以使Markov链的收敛性与均衡相结合。我们表明，这使得SubGoom测量收敛界的直接和透明的推导出用于独立的Metropolis - Hastings采样器和用于棘手似然性的伪边缘方法，后者在许多实际设置中是子表芯。这些结果依赖于马尔可夫链之间的新量化比较定理。相关证据比依赖于漂移/较小化条件的证据更简单，并且所开发的工具允许我们恢复并进一步延长特定情况的已知结果。我们能够为伪边缘算法的实际使用提供新的见解，分析平均近似贝叶斯计算（ABC）的效果以及独立平均值的产品，以及研究与之相关的逻辑重量的情况粒子边缘大都市 - 黑斯廷斯（PMMH）。

梯度时间差（梯度TD）算法是用于钢筋学习中的政策评估的流行随机近似（SA）算法。在这里，我们考虑具有额外的重球动量项的梯度TD算法，并提供阶梯尺寸和动量参数的选择，确保这些算法的几乎肯定偶然的趋势。在这样做时，我们将沉重的球梯度TD分解为三个单独的迭代，具有不同的步骤尺寸。我们首先使用当前文献的结果进行一次时间尺度SA设置分析这些迭代。但是，一时间时间形案例是限制性的，并且可以通过查看迭代的三次时间尺度分解来提供更一般的分析。在此过程中，我们提供了一般三次Timescale SA的稳定性和融合的第一个条件。然后，我们证明了沉重的球梯度TD算法使用我们的三个时间尺度SA分析来收敛。最后，我们在标准RL问题上评估了这些算法，并报告了Vanilla算法的性能提高。

随机近似（SA）和随机梯度下降（SGD）算法是现代机器学习算法的工作马。由于快速收敛行为，它们在实践中优选它们的持续步骤变体。然而，恒定的步骤随机迭代算法不与最佳解决方案渐近地收敛，而是具有静止分布，这通常不能被分析表征。在这项工作中，我们研究了适当缩放的静止分布的渐近行为，在恒定步骤零的限制中。具体而言，我们考虑以下三种设置：（1）SGD算法，具有平滑且强的凸面物镜，（2）涉及Hurwitz矩阵的线性SA算法，和（3）涉及收缩算子的非线性SA算法。当迭代以$ 1 / \ sqrt {\ alpha} $缩放时，其中$ \ alpha $是常量的步骤，我们表明限制缩放静止分布是整体方程的解决方案。在该等式上的唯一性假设（可以在某些设置中除去），我们进一步表征了作为高斯分布的限制分布，其协方差矩阵是合适的Lyapunov方程的独特解决方案。对于超出这些情况的SA算法，我们的数值实验表明，与中央极限定理类型结果不同：（1）缩放因子不需要为$ 1 / \ sqrt {\ alpha} $，并且（2）限制分布不需要高斯。基于数值研究，我们提出了一种确定右缩放因子的公式，并与近似随机微分方程的欧拉 - 玛赖山离散化方案进行富有洞察力的连接。

在机器学习中，随机梯度下降（SGD）被广泛部署到使用具有同样复杂噪声模型的高度非凸目标的训练模型。不幸的是，SGD理论通常会做出限制性的假设，这些假设无法捕获实际问题的非跨性别，并且几乎完全忽略了实践中存在的复杂噪声模型。在这项工作中，我们在这一缺点上取得了长足的进步。首先，我们确定SGD的迭代将在几乎任意的非概念和噪声模型下全球收敛到固定点或分歧。在对文献中当前假设的非跨性别和噪声模型的共同行为的限制性稍微限制性的假设下，我们表明，即使迭代分歧，目标函数也无法分歧。由于我们的结果，可以将SGD应用于更大范围的随机优化问题，并在其全球收敛行为和稳定性上充满信心。

随机多变最小化 - 最小化（SMM）是大多数变化最小化的经典原则的在线延伸，这包括采样I.I.D。来自固定数据分布的数据点，并最小化递归定义的主函数的主要替代。在本文中，我们引入了随机块大大化 - 最小化，其中替代品现在只能块多凸，在半径递减内的时间优化单个块。在SMM中的代理人放松标准的强大凸起要求，我们的框架在内提供了更广泛的适用性，包括在线CANDECOMP / PARAFAC（CP）字典学习，并且尤其是当问题尺寸大时产生更大的计算效率。我们对所提出的算法提供广泛的收敛性分析，我们在可能的数据流下派生，放松标准i.i.d。对数据样本的假设。我们表明，所提出的算法几乎肯定会收敛于速率$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$的约束下的非凸起物镜的静止点集合。实证丢失函数和$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/4}）$的预期丢失函数，其中$ n $表示处理的数据样本数。在一些额外的假设下，后一趋同率可以提高到$ o（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$。我们的结果为一般马尔维亚数据设置提供了各种在线矩阵和张量分解算法的第一融合率界限。

Despite its popularity in the reinforcement learning community, a provably convergent policy gradient method for continuous space-time control problems with nonlinear state dynamics has been elusive. This paper proposes proximal gradient algorithms for feedback controls of finite-time horizon stochastic control problems. The state dynamics are nonlinear diffusions with control-affine drift, and the cost functions are nonconvex in the state and nonsmooth in the control. The system noise can degenerate, which allows for deterministic control problems as special cases. We prove under suitable conditions that the algorithm converges linearly to a stationary point of the control problem, and is stable with respect to policy updates by approximate gradient steps. The convergence result justifies the recent reinforcement learning heuristics that adding entropy regularization or a fictitious discount factor to the optimization objective accelerates the convergence of policy gradient methods. The proof exploits careful regularity estimates of backward stochastic differential equations.

本文提供了具有固定步骤大小的线性随机近似（LSA）算法的有限时间分析，这是统计和机器学习中的核心方法。 LSA用于计算$ d $ - 二维线性系统的近似解决方案$ \ bar {\ mathbf {a}}} \ theta = \ bar {\ mathbf {b}} $ a}}，\ bar {\ mathbf {b}}）$只能通过（渐近）无偏见的观察来估算$ \ {（\ m athbf {a}（z_n），\ mathbf {b} {n \ in \ mathbb {n}} $。我们在这里考虑$ \ {z_n \} _ {n \ in \ mathbb {n}} $是i.i.d.序列或统一的几何千古马尔可夫链，并得出了$ p $ - 大小写的不等式和高概率界限，用于LSA及其polyak-ruppert平均版本定义的迭代。更确切地说，我们建立订单$（p \ alpha t _ {\ pereratatorName {mix}}}））^{1/2} d^{1/p} $在$ p $ - LSA的最后一个迭代的$ p $ - 。在此公式中，$ \ alpha $是该过程的步骤大小，$ t _ {\ operatatorName {mix}} $是基础链的混合时间（$ t _ {\ operatotorname {mix {mix}} = 1 $ in I.I.D.设置中的1 $ ）。然后，我们证明了迭代的polyak-ruppert平均序列上的有限时间实例依赖性边界。这些结果是明确的，从某种意义上说，我们获得的领先术语匹配局部渐近minimax限制，包括对参数$（d，t _ {\ operatorname {mix}}）$的紧密依赖性在更高的术语中。

随机梯度算法在大规模学习和推理问题中广泛用于优化和采样。但是，实际上，调整这些算法通常是使用启发式和反复试验而不是严格的，可概括的理论来完成的。为了解决理论和实践之间的这一差距，我们通过表征具有固定步长的非常通用的预处理随机梯度算法的迭代术的大样本行为来对调整参数的效果进行新的见解。在优化设置中，我们的结果表明，具有较大固定步长的迭代平均值可能会导致（局部）M-静态器的统计效率近似。在抽样环境中，我们的结果表明，通过适当的调整参数选择，限制固定协方差可以与Bernstein匹配 - 后验的von Mises限制，对模型错误指定后验的调整或MLE的渐近分布；而幼稚的调整极限与这些都不相对应。此外，我们认为可以在数据集对固定数量的通行证后获得基本独立的样本。我们使用模拟和真实数据通过多个实验来验证渐近样结果。总体而言，我们证明具有恒定步长的正确调整的随机梯度算法为获得点估计或后部样品提供了计算上有效且统计上健壮的方法。

The logit outputs of a feedforward neural network at initialization are conditionally Gaussian, given a random covariance matrix defined by the penultimate layer. In this work, we study the distribution of this random matrix. Recent work has shown that shaping the activation function as network depth grows large is necessary for this covariance matrix to be non-degenerate. However, the current infinite-width-style understanding of this shaping method is unsatisfactory for large depth: infinite-width analyses ignore the microscopic fluctuations from layer to layer, but these fluctuations accumulate over many layers. To overcome this shortcoming, we study the random covariance matrix in the shaped infinite-depth-and-width limit. We identify the precise scaling of the activation function necessary to arrive at a non-trivial limit, and show that the random covariance matrix is governed by a stochastic differential equation (SDE) that we call the Neural Covariance SDE. Using simulations, we show that the SDE closely matches the distribution of the random covariance matrix of finite networks. Additionally, we recover an if-and-only-if condition for exploding and vanishing norms of large shaped networks based on the activation function.

我们研究了具有有限和结构的平滑非凸化优化问题的随机重新洗脱（RR）方法。虽然该方法在诸如神经网络的训练之类的实践中广泛利用，但其会聚行为仅在几个有限的环境中被理解。在本文中，在众所周知的Kurdyka-LojasiewiCz（KL）不等式下，我们建立了具有适当递减步长尺寸的RR的强极限点收敛结果，即，RR产生的整个迭代序列是会聚并会聚到单个静止点几乎肯定的感觉。 In addition, we derive the corresponding rate of convergence, depending on the KL exponent and the suitably selected diminishing step sizes.当KL指数在$ [0，\ FRAC12] $以$ [0，\ FRAC12] $时，收敛率以$ \ mathcal {o}（t ^ { - 1}）$的速率计算，以$ t $ counting迭代号。当KL指数属于$（\ FRAC12,1）$时，我们的派生收敛速率是FORM $ \ MATHCAL {O}（T ^ { - Q}）$，$ Q \ IN（0,1）$取决于在KL指数上。基于标准的KL不等式的收敛分析框架仅适用于具有某种阶段性的算法。我们对基于KL不等式的步长尺寸减少的非下降RR方法进行了新的收敛性分析，这概括了标准KL框架。我们总结了我们在非正式分析框架中的主要步骤和核心思想，这些框架是独立的兴趣。作为本框架的直接应用，我们还建立了类似的强极限点收敛结果，为重组的近端点法。

深度神经网络和其他现代机器学习模型的培训通常包括解决高维且受大规模数据约束的非凸优化问题。在这里，基于动量的随机优化算法在近年来变得尤其流行。随机性来自数据亚采样，从而降低了计算成本。此外，动量和随机性都应该有助于算法克服当地的最小化器，并希望在全球范围内融合。从理论上讲，这种随机性和动量的结合被糟糕地理解。在这项工作中，我们建议并分析具有动量的随机梯度下降的连续时间模型。该模型是一个分段确定的马尔可夫过程，它通过阻尼不足的动态系统和通过动力学系统的随机切换来代表粒子运动。在我们的分析中，我们研究了长期限制，子采样到无填充采样极限以及动量到非摩托车的限制。我们对随着时间的推移降低动量的情况特别感兴趣：直觉上，动量有助于在算法的初始阶段克服局部最小值，但禁止后来快速收敛到全球最小化器。在凸度的假设下，当降低随时间的动量时，我们显示了动力学系统与全局最小化器的收敛性，并让子采样率转移到无穷大。然后，我们提出了一个稳定的，合成的离散方案，以从我们的连续时间动力学系统中构造算法。在数值实验中，我们研究了我们在凸面和非凸测试问题中的离散方案。此外，我们训练卷积神经网络解决CIFAR-10图像分类问题。在这里，与动量相比，我们的算法与随机梯度下降相比达到了竞争性结果。

我们证明了连续和离散时间添加功能的浓度不平等和相关的PAC界限，用于可能是多元，不可逆扩散过程的无界函数。我们的分析依赖于通过泊松方程的方法，使我们能够考虑一系列非常广泛的指数性千古过程。这些结果增加了现有的浓度不平等，用于扩散过程的加性功能，这些功能仅适用于有界函数或从明显较小的类别中的过程的无限函数。我们通过两个截然不同的区域的例子来证明这些指数不平等的力量。考虑到在稀疏性约束下可能具有高维参数非线性漂移模型，我们应用连续的时间浓度结果来验证套索估计的受限特征值条件，这对于甲骨文不平等的推导至关重要。离散添加功能的结果用于研究未经调整的Langevin MCMC算法，用于采样中等重尾密度$ \ pi $。特别是，我们为多项式增长功能$ f $的样品蒙特卡洛估计量$ \ pi（f）提供PAC边界，以量化足够的样本和阶梯尺寸，以在规定的边距内近似具有很高的可能性。

我们分析了一个随机近似算法的决策依赖性问题，其中算法沿迭代序列演变的数据分布。此类问题的主要示例出现在表演预测及其多人游戏扩展中。我们表明，在温和的假设下，算法的平均迭代和溶液之间的偏差在渐近正常上，协方差很好地解除了梯度噪声和分布移位的影响。此外，在H \'Ajek和Le Cam的工作中，我们表明该算法的渐近性能是本地最小的最佳选择。

在一个拟合训练数据的深度神经网络（NN）中找到参数是一个非渗透优化问题，但基本的一阶优化方法（梯度下降）在许多实际情况下，具有完美拟合（零损失）的全局优化器。我们在限制性制度中检查残留神经网络（Reset）的剩余神经网络（Reset）的情况的这种现象，其中每个层（宽度）的层数（深度）和权重的数量均转到无穷大。首先，我们使用平均场限制参数来证明参数训练的梯度下降成为概率分布的梯度流，其特征在于大NN限制中的部分微分方程（PDE）。接下来，我们表明，在某些假设下，PDE的解决方案在训练时间内收敛到零损失解决方案。这些结果表明，如果Reset足够大，则reset的培训给出了近零损失。我们给出了减少给定阈值以下低于给定阈值的损失所需的深度和宽度的估计值。

找到Reset中的参数的最佳配置是一个非凸显最小化问题，但一阶方法尽管如此，找到了过度分辨率制度的全局最优。通过将Reset的训练过程转化为梯度流部分微分方程（PDE）和检查该限制过程的收敛性能，我们研究了这种现象。假设激活函数为2美元 - 最佳或部分$ 1 $-homerence;正则Relu满足后一种条件。我们表明，如果Reset足够大，则深度和宽度根据代数上的准确性和置信水平，一阶优化方法可以找到适合培训数据的全局最小化器。