A Diffusion Approximation Theory of Momentum Stochastic Gradient Descent in Nonconvex Optimization

作者
Tianyi Liu,Zhehui Chen,Enlu Zhou,Tuo Zhao
出处
期刊:Stochastic systems [Institute for Operations Research and the Management Sciences]
卷期号:11 (4): 307-323 被引量:16
标识
DOI:10.1287/stsy.2021.0083
摘要

Momentum stochastic gradient descent (MSGD) algorithm has been widely applied to many nonconvex optimization problems in machine learning (e.g., training deep neural networks, variational Bayesian inference, etc.). Despite its empirical success, there is still a lack of theoretical understanding of convergence properties of MSGD. To fill this gap, we propose to analyze the algorithmic behavior of MSGD by diffusion approximations for nonconvex optimization problems with strict saddle points and isolated local optima. Our study shows that the momentum helps escape from saddle points but hurts the convergence within the neighborhood of optima (if without the step size annealing or momentum annealing). Our theoretical discovery partially corroborates the empirical success of MSGD in training deep neural networks.

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