Скорость сходимости — это характеристика того, как быстро последовательность приближений приближается к пределу при увеличении числа итераций, объёма данных или числа выборок. Формально она описывает, насколько быстро убывает ошибка или .

Разные задачи и алгоритмы имеют разные скорости сходимости. Ниже — основные типы.


1. Формальные определения

Пусть — ошибка на -й итерации, — предел.

Линейная сходимость

Ошибка убывает примерно в раз за итерацию. В логарифмическом масштабе — прямая линия.
Пример: метод простой итерации, градиентный спуск с постоянным шагом.

Сверхлинейная сходимость

Быстрее линейной, но медленнее квадратичной.
Пример: метод секущих (порядок ).

Квадратичная сходимость

Число верных знаков примерно удваивается на каждой итерации.
Пример: метод Ньютона вблизи корня.

Кубическая и выше

Очень быстрая, но редкая. Пример: метод Чебышёва для корней.

Сублогарифмическая / сублинейная

Ошибка убывает, но медленнее любой геометрической прогрессии.
Пример: метод Монте-Карло: , то есть .


2. Сводная таблица

ТипФормулаЧто происходитПример
СублинейнаяМедленно, полиномиальноМонте-Карло
ЛинейнаяОшибка умножается на Простая итерация, градиентный спуск
СверхлинейнаяБыстрее линейнойМетод секущих
КвадратичнаяУдвоение верных цифрМетод Ньютона
КубическаяУтроение верных цифрМетод Чебышёва
ЭкспоненциальнаяОчень быстроНекоторые спектральные методы

3. Скорость сходимости в разных контекстах

Численная оптимизация

  • Градиентный спуск: линейная (зависит от числа обусловленности).
  • Метод Ньютона: квадратичная вблизи минимума.
  • Квазиньютоновские методы (BFGS, L-BFGS): сверхлинейная.
  • Стохастический градиентный спуск (SGD): сублинейная или .

Итерационные методы решения уравнений

  • Метод простой итерации: линейная.
  • Метод секущих: сверхлинейная, порядок .
  • Метод Ньютона: квадратичная.
  • Метод бисекции: линейная, .

Метод Монте-Карло

  • Ошибка оценки: , где — число выборок.
  • Чтобы уменьшить ошибку в 10 раз, нужно в 100 раз больше выборок.
  • Методы снижения дисперсии (importance sampling, antithetic variates) улучшают константу, но не порядок.

MCMC

  • Скорость сходимости к стационарному распределению зависит от:
    • геометрии целевого распределения;
    • корреляции между параметрами;
    • выбора proposal distribution.
  • Диагностики: , ESS, autocorrelation time.
  • Hamiltonian Monte Carlo обычно сходится быстрее, чем Metropolis–Hastings, благодаря использованию градиентов.

EM-алгоритм

  • Обычно линейная сходимость.
  • В некоторых задачах — сверхлинейная.
  • Может быть очень медленным, если данные «неполные» сильно.

Смешанные модели

  • Оценка ML/REML — итерационная (Newton–Raphson, EM, оптимизация).
  • Сходимость обычно линейная или сверхлинейная.
  • При сложной структуре случайных эффектов возможны медленная сходимость или её отсутствие.

Численное интегрирование

  • Квадратура Гаусса: ошибка для гладких функций, где связано с числом узлов.
  • Метод трапеций: .
  • Метод Симпсона: .
  • Монте-Карло: , независимо от размерности (но с большой константой).

4. Порядок сходимости в вероятностях

Для последовательности случайных величин:

  • Закон больших чисел: сходимость по вероятности, .
  • Центральная предельная теорема: скорость сходимости к нормальному распределению (теорема Берри–Эссеена).
  • Скорость сходимости оценок: -состоятельность — стандарт в статистике.
  • Непараметрические оценки: медленнее, например для ядерной регрессии.

5. Как измерить скорость сходимости

  1. Построить график ошибки от :
    • в обычном масштабе — линейная сходимость выглядит как экспонента;
    • в логарифмическом — линейная сходимость выглядит как прямая.
  2. Оценить порядок : .
  3. Оценить константу : .
  4. Для MCMC: , ESS, autocorrelation function.
  5. Для оптимизации: норма градиента, изменение функции, число итераций до допуска.

6. Что влияет на скорость сходимости

  • Обусловленность задачи (число обусловленности матрицы).
  • Начальное приближение — для Ньютона важно быть близко к корню.
  • Гладкость функции — чем глаже, тем выше порядок методов.
  • Размерность задачи — в высокой размерности многие методы замедляются.
  • Выбор алгоритма и гиперпараметров (шаг обучения, число узлов, proposal distribution).
  • Структура данных — корреляция, масштаб переменных, пропуски.

Быстрая сходимость — это хорошо, но она не гарантирует корректности: можно быстро сойтись к неправильному решению, если модель или предположения неверны.