联邦学习公式推导--为何只需要发送模型参数而不是模型梯度？_联邦学习中模型参数是梯度信息吗

参考文献：https://arxiv.org/pdf/1602.05629v4.pdf

• 对于一个机器学习应用来说，我们需要找到一个目标函数，使其最小化
  $$f(w)=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{f}_i(w)$$

• 上面等式中，$f_i(w)=l(x_i,y_i,w)$，表示参数为$w$的模型在样本$(x_i,y_i)$上预测的损失。

• 假设现在有多个设备并行计算模型在某个数据集上的总体预测损失，总样本数为$n$，设备$k$上有$n_k$个样本，那么设备$k$上的损失为：
  $$F_k(w)=\frac{1}{n_k}\sum _{i=1}^{n_k}{f}_k(w)$$

• 那么模型在整个数据集上的预测损失为：
  $$f(w)=\sum _{k=1}^K\frac{n_k}{n}{F}_k(w)=\frac{1}{n}\sum _{k=1}^K\sum _{i=1}^{n_k}{f}_i(w)$$

• 相当于使用同一个模型在整个数据集上跑了一遍，得到了总体的平均损失

• 为了减少client和server间的通信次数，可以让更多的计算在client上完成。

  • 假设第$t$轮通信中设备k进行一次梯度下降得到的梯度为：$gk=\nabla F_k(w_t)$，$g_k$最终会发送到服务器。$w_t$是第$t$轮通信中模型的参数。

  • 根据求导法则可知：$\nabla f(w_t)={\sum }_{k=1}^K\frac{n_k}{n}\nabla F_k(w_t)$，所以服务器拿到所以client的参数之后，更新下一轮模型的参数为：
    $$w_{t+1}=w_t-\alpha \nabla f(w_t)=w_t-\alpha \sum _{k=1}^K\frac{n_k}{n}{g}_k$$

  • 又因为设备$k$可以用局部数据更新参数：
    $$\begin{gathered} w_{t+1}^k=w_t-\alpha g_k \\ \alpha g_k=w_t-w_{t+1}^k \end{gathered}$$

  • 代入上面公式：
    $$\begin{gathered} w_{t+1}=w_t-\sum _{k=1}^K\frac{n_k}{n}(w_t-w_{t+1}^k)=w_t-\frac{{\sum }_{k=1}^K{n}_k}{n}{w}_t+\sum _{k=1}^K\frac{n_k}{n}{w}_{t+1}^k \\ {w}_{t+1}=\sum _{k=1}^K\frac{n_k}{n}{w}_{t+1}^k \end{gathered}$$

  • 上面是进行一次梯度下降，如果进行多次梯度下降，设备$k$的更新参数公式为：
    $$\begin{gathered} w_{t+1}^k=w_t-\alpha g_k^1-\alpha g_k^2-...-\alpha g_k^{epoch}其中g_k^i表示第i次梯度下降 \\ {w}_{t+1}^k=w_t-\alpha (g_k^1+g_k^2+...+g_k^{epoch}) \\ 令g_k=g_k^1+g_k^2+...+g_k^{epoch},则有w_{t+1}^k=w_t-\alpha g_k \end{gathered}$$

  • 所以可以在本地进行多次梯度下降并更新本地模型参数，然后将本地模型参数发送给服务器，服务器对这些参数进行加权平均得到全局模型参数，最终发送给各个设备，这样就能减少客户端和服务器间的通信次数。