The growing adoption of spectrum-aware matrix-valued optimizers such as Muon and Shampoo in deep learning motivates a systematic study of their generalization properties and, in particular, when they might outperform competitive algorithms. We approach this question by introducing appropriate simplifying abstractions as follows: First, we use imbalanced data as a testbed. Second, we study the canonical form of such optimizers, which is Spectral Gradient Descent (SpecGD) -- each update step is $UV^T$ where $U\Sigma V^T$ is the truncated SVD of the gradient. Third, within this framework we identify a canonical setting for which we precisely quantify when SpecGD outperforms vanilla Euclidean GD. For a Gaussian mixture data model and both linear and bilinear models, we show that unlike GD, which prioritizes learning dominant principal components of the data first, SpecGD learns all principal components of the data at equal rates. We demonstrate how this translates to a growing gap in balanced accuracy favoring SpecGD early in training and further show that the gap remains consistent even when the GD counterpart uses adaptive step-sizes via normalization. By extending the analysis to deep linear models, we show that depth amplifies these effects. We empirically verify our theoretical findings on a variety of imbalanced datasets. Our experiments compare practical variants of spectral methods, like Muon and Shampoo, against their Euclidean counterparts and Adam. The results validate our findings that these spectral optimizers achieve superior generalization by promoting a more balanced learning of the data's underlying components.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Transformers in Remote Sensing: A Survey
Arxiv
25+阅读 · 2022年9月2日
Arxiv
15+阅读 · 2020年2月6日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员