分析学习算法的挑战之一是客观值和随机噪声之间的循环纠缠。这也被称为“鸡肉和鸡蛋”现象，传统上，没有原则解决这个问题的方法。人们通过利用动态的特殊结构来解决问题，因此很难概括分析。在这项工作中，我们提出了一个简化的三步食谱，以解决“鸡肉和鸡蛋”问题，并为分析学习算法的随机动力学提供了一般框架。我们的框架构成了概率理论的标准技术，例如停止时间和Martingale浓度。我们通过对三个截然不同的学习问题进行统一分析，并具有强大的统一高概率收敛保证，从而证明了我们框架的力量和灵活性。这些问题是强烈凸功能，流主成分分析和带有随机梯度下降更新的线性匪徒的随机梯度下降。我们要么在所有三个动态上都改进或匹配最新界限。

我们研究了Adagrad-norm的收敛速率，作为自适应随机梯度方法（SGD）的典范，其中，基于观察到的随机梯度的步骤大小变化，以最大程度地减少非凸，平稳的目标。尽管它们很受欢迎，但在这种情况下，对自适应SGD的分析滞后于非自适应方法。具体而言，所有先前的作品都依赖以下假设的某个子集：（i）统一结合的梯度规范，（ii）均匀遇到的随机梯度方差（甚至噪声支持），（iii）步骤大小和随机性之间的有条件独立性坡度。在这项工作中，我们表明Adagrad-norm表现出$ \ Mathcal {O} \ left（\ frac {\ mathrm {poly} \ log（t）} {\ sqrt {\ sqrt {t}}} \ right）的订单最佳收敛率$在$ t $迭代之后，在与最佳调整的非自适应SGD（无界梯度规范和仿射噪声方差缩放）相同的假设下进行了$，而无需任何调整参数。因此，我们确定自适应梯度方法在比以前了解的更广泛的方案中表现出最佳的融合。

我们考虑通过流算法从单个轨迹估计线性时间不变（LTI）动态系统的问题，这在包括增强学习（RL）和时间序列分析的若干应用中遇到。虽然LTI系统估计问题在{\ em离线}设置中进行了很好地研究，但实际上重要的流媒体/在线设置很少受到关注。如随机梯度下降（SGD）等标准流动方法不太可能起作用，因为流点可以高度相关。在这项工作中，我们提出了一种新颖的流媒体算法，SGD具有反向体验的重播（$ \ MATHSF {SGD} - \ MATHSF {RER），这是由RL文献中流行的体验重播（ER）技术的启发。 $ \ mathsf {sgd} - \ mathsf {rer} $划分为小缓冲区，并在存储在单个缓冲区中的数据后向后运行SGD。我们表明该算法精确地解构了依赖结构，并获得了从理论上最佳保证的信息，用于参数误差和预测误差。因此，我们提供了我们的第一至最佳的知识 - 最佳的SGD风格算法，用于使用一阶Oracle的线性系统识别的经典问题。此外，$ \ mathsf {sgd} - \ mathsf {rer} $可以应用于具有已知稀疏模式和非线性动态系统的稀疏LTI识别的更多常规设置。我们的工作表明，数据依赖性结构的知识可以帮助我们在统计上和计算上的算法设计中，这些算法可以“去相关”流样本。

我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。

通过在线规范相关性分析的问题，我们提出了\ emph {随机缩放梯度下降}（SSGD）算法，以最小化通用riemannian歧管上的随机功能的期望。 SSGD概括了投影随机梯度下降的思想，允许使用缩放的随机梯度而不是随机梯度。在特殊情况下，球形约束的特殊情况，在广义特征向量问题中产生的，我们建立了$ \ sqrt {1 / t} $的令人反感的有限样本，并表明该速率最佳最佳，直至具有积极的积极因素相关参数。在渐近方面，一种新的轨迹平均争论使我们能够实现局部渐近常态，其速率与鲁普特 - Polyak-Quaditsky平均的速率匹配。我们将这些想法携带在一个在线规范相关分析，从事文献中的第一次获得了最佳的一次性尺度算法，其具有局部渐近融合到正常性的最佳一次性尺度算法。还提供了用于合成数据的规范相关分析的数值研究。

我们提供了新的基于梯度的方法，以便有效解决广泛的病态化优化问题。我们考虑最小化函数$ f：\ mathbb {r} ^ d \ lightarrow \ mathbb {r} $的问题，它是隐含的可分解的，作为$ m $未知的非交互方式的总和，强烈的凸起功能并提供方法这解决了这个问题，这些问题是缩放（最快的对数因子）作为组件的条件数量的平方根的乘积。这种复杂性绑定（我们证明几乎是最佳的）可以几乎指出的是加速梯度方法的几乎是指数的，这将作为$ F $的条件数量的平方根。此外，我们提供了求解该多尺度优化问题的随机异标变体的有效方法。而不是学习$ F $的分解（这将是过度昂贵的），而是我们的方法应用一个清洁递归“大步小步”交错标准方法。由此产生的算法使用$ \ tilde {\ mathcal {o}}（d m）$空间，在数字上稳定，并打开门以更细粒度的了解凸优化超出条件号的复杂性。

零顺序（ZO）优化广泛用于处理具有挑战性的任务，例如基于查询的黑匣子对抗攻击和加强学习。已经提出了各种尝试，以基于有限差异将先前信息集成到梯度估计过程中，具有有前途的经验结果。然而，它们的收敛性质不太了解。本文试图通过分析具有各种梯度估计的贪婪下降框架下的先前引导的ZO算法的收敛来填补这种差距。我们为先前引导的随机梯度（PRGF）算法提供了收敛保障。此外，为了进一步加速贪婪的下降方法，我们提出了一种新的加速随机搜索（ARS）算法，其将先前信息与收敛分析一起结合在一起。最后，我们的理论结果是通过关于几个数值基准以及对抗性攻击的实验确认。

我们考虑与高斯数据的高维线性回归中的插值学习，并在类高斯宽度方面证明了任意假设类别中的内插器的泛化误差。将通用绑定到欧几里德常规球恢复了Bartlett等人的一致性结果。（2020）对于最小规范内插器，并确认周等人的预测。（2020）在高斯数据的特殊情况下，对于近乎最小常态的内插器。我们通过将其应用于单位来证明所界限的一般性，从而获得最小L1-NORM Interpoolator（基础追踪）的新型一致性结果。我们的结果表明，基于规范的泛化界限如何解释并用于分析良性过度装备，至少在某些设置中。

We study time-inhomogeneous episodic reinforcement learning (RL) under general function approximation and sparse rewards. We design a new algorithm, Variance-weighted Optimistic $Q$-Learning (VO$Q$L), based on $Q$-learning and bound its regret assuming completeness and bounded Eluder dimension for the regression function class. As a special case, VO$Q$L achieves $\tilde{O}(d\sqrt{HT}+d^6H^{5})$ regret over $T$ episodes for a horizon $H$ MDP under ($d$-dimensional) linear function approximation, which is asymptotically optimal. Our algorithm incorporates weighted regression-based upper and lower bounds on the optimal value function to obtain this improved regret. The algorithm is computationally efficient given a regression oracle over the function class, making this the first computationally tractable and statistically optimal approach for linear MDPs.

我们考虑估计与I.I.D的排名$ 1 $矩阵因素的问题。高斯，排名$ 1 $的测量值，这些测量值非线性转化和损坏。考虑到非线性的两种典型选择，我们研究了从随机初始化开始的此非convex优化问题的天然交流更新规则的收敛性能。我们通过得出确定性递归，即使在高维问题中也是准确的，我们显示出算法的样本分割版本的敏锐收敛保证。值得注意的是，虽然无限样本的种群更新是非信息性的，并提示单个步骤中的精确恢复，但算法 - 我们的确定性预测 - 从随机初始化中迅速地收敛。我们尖锐的非反应分析也暴露了此问题的其他几种细粒度，包括非线性和噪声水平如何影响收敛行为。从技术层面上讲，我们的结果可以通过证明我们的确定性递归可以通过我们的确定性顺序来预测我们的确定性序列，而当每次迭代都以$ n $观测来运行时，我们的确定性顺序可以通过$ n^{ - 1/2} $的波动。我们的技术利用了源自有关高维$ m $估计文献的遗留工具，并为通过随机数据的其他高维优化问题的随机初始化而彻底地分析了高阶迭代算法的途径。

We study the problem of estimating the fixed point of a contractive operator defined on a separable Banach space. Focusing on a stochastic query model that provides noisy evaluations of the operator, we analyze a variance-reduced stochastic approximation scheme, and establish non-asymptotic bounds for both the operator defect and the estimation error, measured in an arbitrary semi-norm. In contrast to worst-case guarantees, our bounds are instance-dependent, and achieve the local asymptotic minimax risk non-asymptotically. For linear operators, contractivity can be relaxed to multi-step contractivity, so that the theory can be applied to problems like average reward policy evaluation problem in reinforcement learning. We illustrate the theory via applications to stochastic shortest path problems, two-player zero-sum Markov games, as well as policy evaluation and $Q$-learning for tabular Markov decision processes.

最近，随机梯度下降（SGD）及其变体已成为机器学习（ML）问题大规模优化的主要方法。已经提出了各种策略来调整步骤尺寸，从自适应步骤大小到启发式方法，以更改每次迭代中的步骤大小。此外，动力已被广泛用于ML任务以加速训练过程。然而，我们对它们的理论理解存在差距。在这项工作中，我们开始通过为一些启发式优化方法提供正式保证并提出改进的算法来缩小这一差距。首先，我们分析了凸面和非凸口设置的Adagrad（延迟Adagrad）步骤大小的广义版本，这表明这些步骤尺寸允许算法自动适应随机梯度的噪声水平。我们首次显示延迟Adagrad的足够条件，以确保梯度几乎融合到零。此外，我们对延迟的Adagrad及其在非凸面设置中的动量变体进行了高概率分析。其次，我们用指数级和余弦的步骤分析了SGD，在经验上取得了成功，但缺乏理论支持。我们在平滑和非凸的设置中为它们提供了最初的收敛保证，有或没有polyak-{\ l} ojasiewicz（pl）条件。我们还显示了它们在PL条件下适应噪声的良好特性。第三，我们研究动量方法的最后迭代。我们证明了SGD的最后一个迭代的凸设置中的第一个下限，并以恒定的动量。此外，我们研究了一类跟随基于领先的领导者的动量算法，并随着动量和收缩的更新而增加。我们表明，他们的最后一个迭代具有最佳的收敛性，用于无约束的凸随机优化问题。

我们研究了在存在$ \ epsilon $ - 对抗异常值的高维稀疏平均值估计的问题。先前的工作为此任务获得了该任务的样本和计算有效算法，用于辅助性Subgaussian分布。在这项工作中，我们开发了第一个有效的算法，用于强大的稀疏平均值估计，而没有对协方差的先验知识。对于$ \ Mathbb r^d $上的分布，带有“认证有限”的$ t $ tum-矩和足够轻的尾巴，我们的算法达到了$ o（\ epsilon^{1-1/t}）$带有样品复杂性$的错误（\ epsilon^{1-1/t}） m =（k \ log（d））^{o（t）}/\ epsilon^{2-2/t} $。对于高斯分布的特殊情况，我们的算法达到了$ \ tilde o（\ epsilon）$的接近最佳错误，带有样品复杂性$ m = o（k^4 \ mathrm {polylog}（d）（d））/\ epsilon^^ 2 $。我们的算法遵循基于方形的总和，对算法方法的证明。我们通过统计查询和低度多项式测试的下限来补充上限，提供了证据，表明我们算法实现的样本时间 - 错误权衡在质量上是最好的。

我们研究了称为“乐观速率”（Panchenko 2002; Srebro等，2010）的统一收敛概念，用于与高斯数据的线性回归。我们的精致分析避免了现有结果中的隐藏常量和对数因子，这已知在高维设置中至关重要，特别是用于了解插值学习。作为一个特殊情况，我们的分析恢复了Koehler等人的保证。（2021年），在良性过度的过度条件下，严格地表征了低规范内插器的人口风险。但是，我们的乐观速度绑定还分析了具有任意训练错误的预测因子。这使我们能够在随机设计下恢复脊和套索回归的一些经典统计保障，并有助于我们在过度参数化制度中获得精确了解近端器的过度风险。

我们考虑在随机凸成本和状态和成本函数的全部反馈下控制未知线性动力学系统的问题。我们提出了一种计算高效的算法，该算法与最佳的稳定线性控制器相比，该算法达到了最佳的$ \ sqrt {t} $遗憾。与以前的工作相反，我们的算法基于面对不确定性范式的乐观情绪。这导致了大大改善的计算复杂性和更简单的分析。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

我们考虑通过有限的地平线$ t $控制线性二次调节器（LQR）系统的问题，以固定和已知的成本矩阵$ q，r $但未知和非静止动力$ \ {a_t，b_t \} $。动态矩阵的序列可以是任意的，但总体变化，V_T $，假设为$ O（t）$和控制器未知。在假设所有$ $ $的稳定序列，但潜在的子最优控制器中，我们介绍了一种实现$ \ tilde {\ mathcal {o}} \ left的最佳动态遗憾的算法（v_t ^ { 2/5} t ^ {3/5} \右）$。通过分词恒定动态，我们的算法实现了$ \ tilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {st}）$的最佳遗憾，其中$ s $是交换机的数量。我们的算法的关键是一种自适应的非平稳性检测策略，它在最近开发的用于上下文多武装匪徒问题的方法中构建。我们还争辩说，不适应忘记（例如，重新启动或使用静态窗口大小的滑动窗口学习）可能对LQR问题的后悔最佳，即使窗口大小以$ V_T $的知识最佳地调整。我们算法分析中的主要技术挑战是证明普通的最小二乘（OLS）估计器在待估计的参数是非静止的情况下具有小的偏差。我们的分析还突出了推动遗憾的关键主题是LQR问题在于LQR问题是具有线性反馈和局部二次成本的强盗问题。这个主题比LQR问题本身更普及，因此我们相信我们的结果应该找到更广泛的应用。

矩阵正常模型，高斯矩阵变化分布的系列，其协方差矩阵是两个较低尺寸因子的Kronecker乘积，经常用于模拟矩阵变化数据。张量正常模型将该家庭推广到三个或更多因素的Kronecker产品。我们研究了矩阵和张量模型中协方差矩阵的Kronecker因子的估计。我们向几个自然度量中的最大似然估计器（MLE）实现的误差显示了非因素界限。与现有范围相比，我们的结果不依赖于条件良好或稀疏的因素。对于矩阵正常模型，我们所有的所有界限都是最佳的对数因子最佳，对于张量正常模型，我们对最大因数和整体协方差矩阵的绑定是最佳的，所以提供足够的样品以获得足够的样品以获得足够的样品常量Frobenius错误。在与我们的样本复杂性范围相同的制度中，我们表明迭代程序计算称为触发器算法称为触发器算法的MLE的线性地收敛，具有高概率。我们的主要工具是Fisher信息度量诱导的正面矩阵的几何中的测地强凸性。这种强大的凸起由某些随机量子通道的扩展来决定。我们还提供了数值证据，使得将触发器算法与简单的收缩估计器组合可以提高缺乏采样制度的性能。

我们开发了一种高效的随机块模型中的弱恢复算法。该算法与随机块模型的Vanilla版本的最佳已知算法的统计保证匹配。从这个意义上讲，我们的结果表明，随机块模型没有稳健性。我们的工作受到最近的银行，Mohanty和Raghavendra（SODA 2021）的工作，为相应的区别问题提供了高效的算法。我们的算法及其分析显着脱离了以前的恢复。关键挑战是我们算法的特殊优化景观：种植的分区可能远非最佳意义，即完全不相关的解决方案可以实现相同的客观值。这种现象与PCA的BBP相转变的推出效应有关。据我们所知，我们的算法是第一个在非渐近设置中存在这种推出效果的鲁棒恢复。我们的算法是基于凸优化的框架的实例化（与平方和不同的不同），这对于其他鲁棒矩阵估计问题可能是有用的。我们的分析的副产物是一种通用技术，其提高了任意强大的弱恢复算法的成功（输入的随机性）从恒定（或缓慢消失）概率以指数高概率。

Contextual bandit has been widely used for sequential decision-making based on the current contextual information and historical feedback data. In modern applications, such context format can be rich and can often be formulated as a matrix. Moreover, while existing bandit algorithms mainly focused on reward-maximization, less attention has been paid to the statistical inference. To fill in these gaps, in this work we consider a matrix contextual bandit framework where the true model parameter is a low-rank matrix, and propose a fully online procedure to simultaneously make sequential decision-making and conduct statistical inference. The low-rank structure of the model parameter and the adaptivity nature of the data collection process makes this difficult: standard low-rank estimators are not fully online and are biased, while existing inference approaches in bandit algorithms fail to account for the low-rankness and are also biased. To address these, we introduce a new online doubly-debiasing inference procedure to simultaneously handle both sources of bias. In theory, we establish the asymptotic normality of the proposed online doubly-debiased estimator and prove the validity of the constructed confidence interval. Our inference results are built upon a newly developed low-rank stochastic gradient descent estimator and its non-asymptotic convergence result, which is also of independent interest.