约束优化与投影

模型究竟是如何学习的——从原始梯度下降到Adam

有时候参数并不能任意移动到任何地方。它们必须满足约束:非负的权重、有界的范数、必须保持非负且和为 1 的概率(这样一个集合叫做概率单纯形)、公平性限制、安全限制,或者物理上的可行性。

约束优化的意思是在停留在允许的集合内的同时最小化损失。一种实用的方法是投影梯度下降:先走一步正常的梯度步,再把结果投影回可行集。

一个带边界警戒条的扫地机器人可能会试图穿墙而过,但边界会把它推回允许活动的房间里。投影优化的原理与此相同。一次梯度步可能指向可行集之外,接着投影会把结果裁回可行区域。下面的图展示了这个操作的几何核心:把一个点拖到它在某个允许集合(这里是一条直线)上最近的代表点。投影到一个方框或者一个概率单纯形上,用的是同样的“最近点”原理,只是允许的集合不同。

在机器学习中的应用约束在机器学习中会以范数上界、概率约束、单调性要求、安全动作限制,以及训练后的对齐限制等形式出现。投影是让学习保持在允许区域内最简单的方法。
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