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Ch24 数值分析与凸优化补遗 · 思维导图 (ASCII 树状)


ASCII 思维导图

🌳 Ch24 数值分析与凸优化
├─ §01 浮点与数值稳定性
│  └─ IEEE 754 标准
│  │  └─ FP32 (1+8+23)
│  │  └─ FP16 (1+5+10)
│  │  └─ BF16 (1+8+7)
│  │  └─ FP8 / FP4
│  │  └─ 1.58-bit (BitNet)
│  └─ Machine Epsilon
│  │  └─ FP32 = 1.19e-7
│  │  └─ FP16 = 9.77e-4
│  │  └─ bf16 = 7.81e-3
│  └─ 误差类型
│  │  └─ 舍入误差
│  │  └─ 截断误差
│  │  └─ Catastrophic Cancellation
│  └─ 关键算法
│  │  └─ Kahan 求和
│  │  └─ Softmax 减 max
│  │  └─ BatchNorm
│  │  └─ Loss Scaling
├─ §02 迭代法与稀疏线代
│  └─ 矩阵分解
│  │  └─ LU / QR / SVD / Cholesky
│  └─ 迭代法
│  │  └─ CG (Conjugate Gradient)
│  │  └─ GMRES / BiCGSTAB
│  │  └─ 收敛: 残差 < tol
│  └─ 稀疏存储
│  │  └─ CSR (Compressed Sparse Row)
│  │  └─ COO (Coordinate)
│  │  └─ ELL (ELLPACK)
│  │  └─ Block Sparse
│  └─ 预条件子
│  │  └─ Jacobi / ILU
│  │  └─ AMG (Algebraic Multigrid)
│  │  └─ Krylov 子空间
├─ §03 凸集与凸函数
│  └─ 凸集
│  │  └─ 定义: 闭合于凸组合
│  │  └─ 凸包 / 凸锥
│  │  └─ 半空间 / 多面体
│  │  └─ 仿射集
│  └─ 凸函数
│  │  └─ 判别 1: 一阶条件
│  │  └─ 判别 2: Hessian 半正定
│  │  └─ 强凸 (μ > 0)
│  │  └─ 平滑 (L-smooth)
│  │  └─ 强凸 + 平滑 → 线性收敛
│  └─ Lipschitz 梯度
│  │  └─ ||∇f(x) - ∇f(y)|| ≤ L||x-y||
│  │  └─ SGD 收敛基础
│  └─ 共轭函数
│  │  └─ f*(y) = sup_x {yᵀx - f(x)}
│  │  └─ Fenchel-Young 不等式
├─ §04 对偶与 KKT
│  └─ Lagrange 函数
│  │  └─ L(x,λ,ν) = f(x) + λg(x) + νh(x)
│  │  └─ g ≤ 0 不等约束
│  │  └─ h = 0 等约束
│  └─ 对偶
│  │  └─ g(λ,ν) = inf_x L(x,λ,ν)
│  │  └─ 弱对偶: g ≤ f(x*)
│  │  └─ 强对偶: g(λ*) = f(x*)
│  │  └─ Slater 条件
│  │  └─ KKT 4 条件
│  │  └─ Stationarity
│  │  └─ Primal Feasibility
│  │  └─ Dual Feasibility
│  │  └─ Complementary Slackness
│  │  └─ SVM 推导经典
├─ §05 二阶方法
│  └─ Newton 方法
│  │  └─ x_{k+1} = x_k - H⁻¹ ∇f
│  │  └─ 二次收敛
│  │  └─ 每步 O(n³) Hessian 逆
│  └─ Quasi-Newton
│  │  └─ BFGS (秩 2 修正)
│  │  └─ L-BFGS (Limited)
│  │  └─ O(mn) 内存, 适合大模型
│  └─ Trust Region
│  │  └─ 信赖域内求 min
│  │  └─ 比 Line Search 稳健
│  └─ Natural Gradient
│  │  └─ F⁻¹ ∇L
│  │  └─ Fisher 信息矩阵
│  └─ K-FAC / Shampoo
│  │  └─ 实用化二阶方法
│  │  └─ Transformer 训练加速 2-3×
│  │  └─ Google Shampoo 2024
├─ §06 内点法与约束优化
│  └─ Interior Point
│  │  └─ Barrier Method
│  │  └─ 经典 KKT 求解
│  │  └─ 中等规模问题
│  └─ 投影梯度
│  │  └─ Projected Gradient
│  │  └─ 简单约束
│  └─ Frank-Wolfe
│  │  └─ 线性最小化 oracle
│  │  └─ 凸包优化
│  └─ SQP
│  │  └─ Sequential Quadratic Programming
│  │  └─ 强约束优化
│  └─ ADMM
│  │  └─ 增广 Lagrangian
│  │  └─ 分布式优化
├─ §07 分布式与随机优化
│  └─ 同步 SGD
│  │  └─ AllReduce 通信
│  │  └─ 稳定但慢
│  └─ 异步 SGD / Hogwild!
│  │  └─ 无锁并发
│  │  └─ 稀疏梯度有效
│  └─ AllReduce
│  │  └─ Ring AllReduce
│  │  └─ NCCL / Gloo
│  │  └─ O(N) 带宽最优
│  └─ Parameter Server
│  │  └─ 异步参数更新
│  │  └─ 超大规模
│  └─ FedAvg
│  │  └─ 联邦学习
│  │  └─ 客户端加权平均
│  │  └─ 隐私保护
│  └─ 弹性平均 (EA-SGD)
│  │  └─ Elastic Averaging
│  │  └─ 异步 + 一致性
│  │  └─ 拜占庭鲁棒

关键 50 概念

  • 数值: IEEE 754/bfloat16/FP8/FP4/Machine Epsilon/Kahan
  • 凸分析: 凸集/凸函数/强凸/平滑/Lipschitz/共轭
  • 对偶: Lagrange/弱/强对偶/Slater/KKT
  • 二阶: Newton/BFGS/L-BFGS/Trust Region/K-FAC/Shampoo
  • 约束: Interior Point/投影梯度/Frank-Wolfe/SQP/ADMM
  • 分布式: AllReduce/Hogwild!/PS/FedAvg/EA-SGD