Mini-Batch Stochastic Conjugate Gradient Algorithms with Minimal Variance

共轭梯度法 结合 差异(会计) 算法 数学 计算机科学 应用数学 数学分析 会计 业务
作者
Caixia Kou,Feng Dai,Yu-Hong Dai
出处
期刊:Journal of Computational Mathematics [Global Science Press]
卷期号:43 (5): 1045-1062
标识
DOI:10.4208/jcm.2505-m2025-0004
摘要

Stochastic gradient descent (SGD) methods have gained widespread popularity for solving large-scale optimization problems. However, the inherent variance in SGD often leads to slow convergence rates. We introduce a family of unbiased stochastic gradient estimators that encompasses existing estimators from the literature and identify a gradient estimator that not only maintains unbiasedness but also achieves minimal variance. Compared with the existing estimator used in SGD algorithms, the proposed estimator demonstrates a significant reduction in variance. By utilizing this stochastic gradient estimator to approximate the full gradient, we propose two mini-batch stochastic conjugate gradient algorithms with minimal variance. Under the assumptions of strong convexity and smoothness on the objective function, we prove that the two algorithms achieve linear convergence rates. Numerical experiments validate the effectiveness of the proposed gradient estimator in reducing variance and demonstrate that the two stochastic conjugate gradient algorithms exhibit accelerated convergence rates and enhanced stability.
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