Recently, there has been great interest in connections between continuous-time dynamical systems and optimization algorithms, notably in the context of accelerated methods for smooth and unconstrained problems. In this paper we extend this perspective to nonsmooth and constrained problems by obtaining differential inclusions associated to novel accelerated variants of the alternating direction method of multipliers (ADMM). Through a Lyapunov analysis, we derive rates of convergence for these dynamical systems in different settings that illustrate an interesting tradeoff between decaying versus constant damping strategies. We also obtain perturbed equations capturing fine-grained details of these methods, which have improved stability and preserve the leading order convergence rates.

We introduce a class of first-order methods for smooth constrained optimization that are based on an analogy to non-smooth dynamical systems. Two distinctive features of our approach are that (i) projections or optimizations over the entire feasible set are avoided, in stark contrast to projected gradient methods or the Frank-Wolfe method, and (ii) iterates are allowed to become infeasible, which differs from active set or feasible direction methods, where the descent motion stops as soon as a new constraint is encountered. The resulting algorithmic procedure is simple to implement even when constraints are nonlinear, and is suitable for large-scale constrained optimization problems in which the feasible set fails to have a simple structure. The key underlying idea is that constraints are expressed in terms of velocities instead of positions, which has the algorithmic consequence that optimizations over feasible sets at each iteration are replaced with optimizations over local, sparse convex approximations. In particular, this means that at each iteration only constraints that are violated are taken into account. The result is a simplified suite of algorithms and an expanded range of possible applications in machine learning.

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

我们提出了一个基于预测校正范式的统一框架，用于在原始和双空间中的预测校正范式。在此框架中，以固定的间隔进行了连续变化的优化问题，并且每个问题都通过原始或双重校正步骤近似解决。通过预测步骤的输出，该解决方案方法是温暖启动的，该步骤的输出可以使用过去的信息解决未来问题的近似。在不同的假设集中研究并比较了预测方法。该框架涵盖的算法的示例是梯度方法的时变版本，分裂方法和著名的乘数交替方向方法（ADMM）。

几种广泛使用的一阶马鞍点优化方法将衍生天然衍生时的梯度下降成本（GDA）方法的相同连续时间常分等式（ODE）。然而，即使在简单的双线性游戏上，它们的收敛性也很差异。我们使用一种来自流体动力学的技术，称为高分辨率微分方程（HRDE）来设计几个骑马点优化方法的杂散。在双线性游戏中，派生HRDE的收敛性属性对应于起始离散方法的收敛性。使用这些技术，我们表明乐观梯度下降的HRDE具有最后迭代单调变分不等式的迭代收敛。据我们所知，这是第一个连续时间动态，用于收敛此类常规设置。此外，我们提供了ogda方法的最佳迭代收敛的速率，仅依靠单调运营商的一阶平滑度。

用于解决无约束光滑游戏的两个最突出的算法是经典随机梯度下降 - 上升（SGDA）和最近引入的随机共识优化（SCO）[Mescheder等，2017]。已知SGDA可以收敛到特定类别的游戏的静止点，但是当前的收敛分析需要有界方差假设。 SCO用于解决大规模对抗问题，但其收敛保证仅限于其确定性变体。在这项工作中，我们介绍了预期的共同胁迫条件，解释了它的好处，并在这种情况下提供了SGDA和SCO的第一次迭代收敛保证，以解决可能是非单调的一类随机变分不等式问题。我们将两种方法的线性会聚到解决方案的邻域时，当它们使用恒定的步长时，我们提出了富有识别的步骤化切换规则，以保证对确切解决方案的融合。此外，我们的收敛保证在任意抽样范式下担保，因此，我们对迷你匹配的复杂性进行了解。

最近有兴趣的兴趣在教师学生环境中的各种普遍性线性估计问题中的渐近重建性能研究，特别是对于I.I.D标准正常矩阵的案例。在这里，我们超越这些矩阵，并证明了具有具有任意界限频谱的旋转不变数据矩阵的凸遍的线性模型的重建性能的分析公式，严格地确认使用来自统计物理的副本衍生的猜想。该公式包括许多问题，例如压缩感测或稀疏物流分类。通过利用消息通过算法和迭代的统计特性来实现证明，允许表征估计器的渐近实证分布。我们的证据是基于构建Oracle多层向量近似消息传递算法的会聚序列的构建，其中通过检查等效动态系统的稳定性来完成收敛分析。我们说明了我们对主流学习方法的数值示例的要求，例如稀疏的逻辑回归和线性支持矢量分类器，显示中等大小模拟和渐近预测之间的良好一致性。

这项研究开发了一个固定时间收敛的鞍点动力学系统，用于在标准凸孔腔假设的放松下解决最小值问题。特别是，通过利用优化算法的动力学系统观点，可以获得加速到鞍点的收敛。而不是要求目标函数是强率 - 巧妙的concave（由于需要加速几个鞍点算法的加速收敛），而是保证仅满足双面Polyak的功能，可以保证均匀的固定时间收敛性 - {\ l} ojasiewicz（pl）不等式。已知大量的实际问题，包括可靠的最小二乘估计，可以满足双面PL不平等。与任何其他具有线性甚至超级线性收敛的最先进方法相比，所提出的方法可实现任意快速的收敛性，并且在数值案例研究中也得到了证实。

诸如压缩感测，图像恢复，矩阵/张恢复和非负矩阵分子等信号处理和机器学习中的许多近期问题可以作为约束优化。预计的梯度下降是一种解决如此约束优化问题的简单且有效的方法。本地收敛分析将我们对解决方案附近的渐近行为的理解，与全球收敛分析相比，收敛率的较小界限提供了较小的界限。然而，本地保证通常出现在机器学习和信号处理的特定问题领域。此稿件在约束最小二乘范围内，对投影梯度下降的局部收敛性分析提供了统一的框架。该建议的分析提供了枢转局部收敛性的见解，例如线性收敛的条件，收敛区域，精确的渐近收敛速率，以及达到一定程度的准确度所需的迭代次数的界限。为了证明所提出的方法的适用性，我们介绍了PGD的收敛分析的配方，并通过在四个基本问题上的配方的开始延迟应用来证明它，即线性约束最小二乘，稀疏恢复，最小二乘法使用单位规范约束和矩阵完成。

现代统计应用常常涉及最小化可能是非流动和/或非凸起的目标函数。本文侧重于广泛的Bregman-替代算法框架，包括本地线性近似，镜像下降，迭代阈值，DC编程以及许多其他实例。通过广义BREGMAN功能的重新发出使我们能够构建合适的误差测量并在可能高维度下建立非凸起和非凸起和非球形目标的全球收敛速率。对于稀疏的学习问题，在一些规律性条件下，所获得的估算器作为代理人的固定点，尽管不一定是局部最小化者，但享受可明确的统计保障，并且可以证明迭代顺序在所需的情况下接近统计事实准确地快速。本文还研究了如何通过仔细控制步骤和放松参数来设计基于适应性的动力的加速度而不假设凸性或平滑度。

我们考虑凸优化问题，这些问题被广泛用作低级基质恢复问题的凸松弛。特别是，在几个重要问题（例如相位检索和鲁棒PCA）中，在许多情况下的基本假设是最佳解决方案是排名一列。在本文中，我们考虑了目标上的简单自然的条件，以使这些放松的最佳解决方案确实是独特的，并且是一个排名。主要是，我们表明，在这种情况下，使用线路搜索的标准Frank-Wolfe方法（即，没有任何参数调整），该方法仅需要单个排名一级的SVD计算，可以找到$ \ epsilon $ - 仅在$ o（\ log {1/\ epsilon}）$迭代（而不是以前最著名的$ o（1/\ epsilon）$）中的近似解决方案，尽管目的不是强烈凸。我们考虑了基本方法的几种变体，具有改善的复杂性，以及由强大的PCA促进的扩展，最后是对非平滑问题的扩展。

We consider the constrained sampling problem where the goal is to sample from a distribution $\pi(x)\propto e^{-f(x)}$ and $x$ is constrained on a convex body $\mathcal{C}\subset \mathbb{R}^d$. Motivated by penalty methods from optimization, we propose penalized Langevin Dynamics (PLD) and penalized Hamiltonian Monte Carlo (PHMC) that convert the constrained sampling problem into an unconstrained one by introducing a penalty function for constraint violations. When $f$ is smooth and the gradient is available, we show $\tilde{\mathcal{O}}(d/\varepsilon^{10})$ iteration complexity for PLD to sample the target up to an $\varepsilon$-error where the error is measured in terms of the total variation distance and $\tilde{\mathcal{O}}(\cdot)$ hides some logarithmic factors. For PHMC, we improve this result to $\tilde{\mathcal{O}}(\sqrt{d}/\varepsilon^{7})$ when the Hessian of $f$ is Lipschitz and the boundary of $\mathcal{C}$ is sufficiently smooth. To our knowledge, these are the first convergence rate results for Hamiltonian Monte Carlo methods in the constrained sampling setting that can handle non-convex $f$ and can provide guarantees with the best dimension dependency among existing methods with deterministic gradients. We then consider the setting where unbiased stochastic gradients are available. We propose PSGLD and PSGHMC that can handle stochastic gradients without Metropolis-Hasting correction steps. When $f$ is strongly convex and smooth, we obtain an iteration complexity of $\tilde{\mathcal{O}}(d/\varepsilon^{18})$ and $\tilde{\mathcal{O}}(d\sqrt{d}/\varepsilon^{39})$ respectively in the 2-Wasserstein distance. For the more general case, when $f$ is smooth and non-convex, we also provide finite-time performance bounds and iteration complexity results. Finally, we test our algorithms on Bayesian LASSO regression and Bayesian constrained deep learning problems.

我们研究了具有有限和结构的平滑非凸化优化问题的随机重新洗脱（RR）方法。虽然该方法在诸如神经网络的训练之类的实践中广泛利用，但其会聚行为仅在几个有限的环境中被理解。在本文中，在众所周知的Kurdyka-LojasiewiCz（KL）不等式下，我们建立了具有适当递减步长尺寸的RR的强极限点收敛结果，即，RR产生的整个迭代序列是会聚并会聚到单个静止点几乎肯定的感觉。 In addition, we derive the corresponding rate of convergence, depending on the KL exponent and the suitably selected diminishing step sizes.当KL指数在$ [0，\ FRAC12] $以$ [0，\ FRAC12] $时，收敛率以$ \ mathcal {o}（t ^ { - 1}）$的速率计算，以$ t $ counting迭代号。当KL指数属于$（\ FRAC12,1）$时，我们的派生收敛速率是FORM $ \ MATHCAL {O}（T ^ { - Q}）$，$ Q \ IN（0,1）$取决于在KL指数上。基于标准的KL不等式的收敛分析框架仅适用于具有某种阶段性的算法。我们对基于KL不等式的步长尺寸减少的非下降RR方法进行了新的收敛性分析，这概括了标准KL框架。我们总结了我们在非正式分析框架中的主要步骤和核心思想，这些框架是独立的兴趣。作为本框架的直接应用，我们还建立了类似的强极限点收敛结果，为重组的近端点法。

In this book chapter, we briefly describe the main components that constitute the gradient descent method and its accelerated and stochastic variants. We aim at explaining these components from a mathematical point of view, including theoretical and practical aspects, but at an elementary level. We will focus on basic variants of the gradient descent method and then extend our view to recent variants, especially variance-reduced stochastic gradient schemes (SGD). Our approach relies on revealing the structures presented inside the problem and the assumptions imposed on the objective function. Our convergence analysis unifies several known results and relies on a general, but elementary recursive expression. We have illustrated this analysis on several common schemes.

We leverage path differentiability and a recent result on nonsmooth implicit differentiation calculus to give sufficient conditions ensuring that the solution to a monotone inclusion problem will be path differentiable, with formulas for computing its generalized gradient. A direct consequence of our result is that these solutions happen to be differentiable almost everywhere. Our approach is fully compatible with automatic differentiation and comes with assumptions which are easy to check, roughly speaking: semialgebraicity and strong monotonicity. We illustrate the scope of our results by considering three fundamental composite problem settings: strongly convex problems, dual solutions to convex minimization problems and primal-dual solutions to min-max problems.

深度神经网络和其他现代机器学习模型的培训通常包括解决高维且受大规模数据约束的非凸优化问题。在这里，基于动量的随机优化算法在近年来变得尤其流行。随机性来自数据亚采样，从而降低了计算成本。此外，动量和随机性都应该有助于算法克服当地的最小化器，并希望在全球范围内融合。从理论上讲，这种随机性和动量的结合被糟糕地理解。在这项工作中，我们建议并分析具有动量的随机梯度下降的连续时间模型。该模型是一个分段确定的马尔可夫过程，它通过阻尼不足的动态系统和通过动力学系统的随机切换来代表粒子运动。在我们的分析中，我们研究了长期限制，子采样到无填充采样极限以及动量到非摩托车的限制。我们对随着时间的推移降低动量的情况特别感兴趣：直觉上，动量有助于在算法的初始阶段克服局部最小值，但禁止后来快速收敛到全球最小化器。在凸度的假设下，当降低随时间的动量时，我们显示了动力学系统与全局最小化器的收敛性，并让子采样率转移到无穷大。然后，我们提出了一个稳定的，合成的离散方案，以从我们的连续时间动力学系统中构造算法。在数值实验中，我们研究了我们在凸面和非凸测试问题中的离散方案。此外，我们训练卷积神经网络解决CIFAR-10图像分类问题。在这里，与动量相比，我们的算法与随机梯度下降相比达到了竞争性结果。

收缩理论是一种分析工具，用于研究以均匀的正面矩阵定义的收缩度量下的非自主（即，时变）非线性系统的差动动力学，其存在导致增量指数的必要和充分表征多种溶液轨迹彼此相互稳定性的稳定性。通过使用平方差分长度作为Lyapunov样功能，其非线性稳定性分析向下沸腾以找到满足以表达为线性矩阵不等式的稳定条件的合适的收缩度量，表明可以在众所周知的线性系统之间绘制许多平行线非线性系统理论与收缩理论。此外，收缩理论利用了与比较引理结合使用的指数稳定性的优越稳健性。这产生了基于神经网络的控制和估计方案的急需安全性和稳定性保证，而不借助使用均匀渐近稳定性的更涉及的输入到状态稳定性方法。这种独特的特征允许通过凸优化来系统构造收缩度量，从而获得了由于扰动和学习误差而在外部扰动的时变的目标轨迹和解决方案轨迹之间的距离上的明确指数界限。因此，本文的目的是介绍了收缩理论的课程概述及其在确定性和随机系统的非线性稳定性分析中的优点，重点导出了各种基于学习和数据驱动的自动控制方法的正式鲁棒性和稳定性保证。特别是，我们提供了使用深神经网络寻找收缩指标和相关控制和估计法的技术的详细审查。

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

交替的梯度 - 下降 - 上升（Altgda）是一种优化算法，已广泛用于各种机器学习应用中的模型培训，其旨在解决非渗透最小新的优化问题。然而，现有的研究表明，它遭受了非凸起最小值优化中的高计算复杂性。在本文中，我们开发了一种单环和快速Altgda型算法，利用了近端渐变更新和动量加速来解决正常的非透露极限优化问题。通过识别该算法的内在Lyapunov函数，我们证明它会收敛到非凸起最小化优化问题的临界点，并实现了计算复杂度$ \ mathcal {o}（\ kappa ^ {1.5} \ epsilon ^ { - 2} ）$，其中$ \ epsilon $是理想的准确度，$ \ kappa $是问题的条件号。这种计算复杂性改善了单环GDA和AltGDA算法的最先进的复杂性（参见表1中的比较摘要）。我们通过对对抗深层学习的实验展示了算法的有效性。

Despite its popularity in the reinforcement learning community, a provably convergent policy gradient method for continuous space-time control problems with nonlinear state dynamics has been elusive. This paper proposes proximal gradient algorithms for feedback controls of finite-time horizon stochastic control problems. The state dynamics are nonlinear diffusions with control-affine drift, and the cost functions are nonconvex in the state and nonsmooth in the control. The system noise can degenerate, which allows for deterministic control problems as special cases. We prove under suitable conditions that the algorithm converges linearly to a stationary point of the control problem, and is stable with respect to policy updates by approximate gradient steps. The convergence result justifies the recent reinforcement learning heuristics that adding entropy regularization or a fictitious discount factor to the optimization objective accelerates the convergence of policy gradient methods. The proof exploits careful regularity estimates of backward stochastic differential equations.