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243 / VARIATIONAL GEOMETRY LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 단원의 미분·확률·함수 공간·최적화 기초
단원 목록 (600) · 원 위의 Riemannian Gradient·Retraction
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

접공간 사영·다양체 복귀·정지 극대점을 비교합니다.

Minimize −x1 on the unit circle. Project ambient gradient onto the tangent, then normalize x−eta rgrad (retraction). Blue is the circle; orange connects actual iterates. Tangent stationarity also holds at the antipodal maximum, so it is not a global certificate.

-1.1251.1251.08-1.08
동일 축척 원 · 파랑 단위원 · 주황 실제 반복점 연결 · 접벡터는 표의 잔차로 검사
stepangleobjectivegradient normobjective excess
01.571-6.123e-1711
11.107-0.4470.8940.553
20.687-0.7730.6340.227
30.38-0.9290.3710.071
40.196-0.9810.1950.019
50.099-0.9950.0990.005
60.05-0.9990.050.001
70.025-10.0253.091e-4
80.012-10.0127.731e-5

final circle point = (1, 0.012)

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
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다양체

목적 −x1을 단위원 위에서 최소화합니다.

||x||=1

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

다양체 위에 남아 최적화하기

단위원 S¹에서 f(x)=−x₁을 최소화하자. 최소점은 (1,0), 반대편 (−1,0)은 극대점이다. 주변 공간의 제약 없는 보폭은 원을 벗어날 수 있다. Riemannian 최적화는 미분을 접공간 벡터로 표현하고 그 보폭을 다양체로 되돌린다.

여기 내적은 주변 유클리드 내적을 제한한 것이다. 기하라는 말을 함께 쓴다고 Fisher metric과 같은 것은 아니다.

주변 gradient의 접공간 사영

x=(cos θ,sin θ)에서 접벡터는 xᵀv=0을 만족한다. 주변 gradient −e₁을 사영하면

grad⁡S1f=(I−xxT)(−e1)=(−sin⁡2θ,cos⁡θsin⁡θ),∥grad⁡f∥=∣sin⁡θ∣.\operatorname{grad}_{S^1}f=(I-xx^T)(-e_1) =(-\sin^2\theta,\cos\theta\sin\theta), \qquad \|\operatorname{grad}f\|=|\sin\theta|.

화면의 직교 잔차가 접공간 여부를 검사한다. 각도 좌표에서 음의 gradient 속도는 θ̇=−sin θ다. 목적 초과 1−cos θ는 최소점 가까이에서 안정적인 반각 공식으로 계산한다.

원으로 돌아가는 두 방법

v=−ηgrad f에 대해 정규화 retraction은 Rₓ(v)=(x+v)/‖x+v‖다. xᵀv=0이므로 분모는 √(1+‖v‖²)여서 0이 되지 않는다. 각도 갱신은 θ⁺=θ−atan(η sin θ)다.

같은 접벡터의 circle exponential은 θ⁺=θ−η sin θ다. 정확한 geodesic 보폭이지 전체 시간 구간의 비선형 gradient-flow ODE를 정확히 적분한 것은 아니다. 두 복귀는 국소적으로 일치하지만 유한 보폭에서는 다르다.

θ=π/2,η=0.5이면 정규화 결과는 (1/√5,2/√5)≈(0.447214,0.894427), exponential은 (sin0.5,cos0.5)≈(0.479426,0.877583)다. 둘 다 가능점이지만 끝점 거리는 약 0.036350이다.

정지성만으로 최소를 인증하지 않기

θ=π에서는 접 gradient가 정확히 0이라 두 방법 모두 극대점에 남는다. 목적 초과는 2다. 구현은 알려진 정확한 각도를 처리하여 부동소수점 sin π 잡음을 가짜 탈출로 해석하지 않는다.

작은 접 잔차는 최소점뿐 아니라 극대점에서도 나온다. 곡률·감소 거동·목적값이 추가 정보를 준다. 일반 다양체에는 여러 정지점이 있을 수 있고 수렴 가정도 문제에 맞춰 확인해야 한다.

직접 풀기와 풀이

한 보폭 예제 둘을 비교한 뒤 η를 절반으로 하자. atan a=a−a³/3+…로 이 정규화 복귀의 선도 끝점 차이가 세제곱임을 예상할 수 있다. 노름은 계속 1인데 끝점은 다른지 보자. 해석적 끝점 차이는 a−atan(a)의 안정적인 나머지로 계산하여 거의 같은 각도의 차감이 세제곱 항을 지우지 않게 한다.

반대편 예제에서 가능성과 접 gradient 0만으로 왜 전역 최소라고 할 수 없는지 설명한다. 파란 원과 주황 반복점을 동일 축척으로 그리며, 점 사이 직선은 시각적 연결이지 geodesic이나 연속 시간 궤적이 아니다.

더 읽기: Boumal의 Smooth Manifold Optimization 교재.

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1. Retraction과 exponential은 모든 보폭에서 같은가요?
2. 다양체 gradient 0이면 전역 최소인가요?

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