在许多机器学习应用程序中出现了非convex-concave min-max问题，包括最大程度地减少一组非凸函数的最大程度，并对神经网络的强大对抗训练。解决此问题的一种流行方法是梯度下降（GDA）算法，不幸的是，在非凸性的情况下可以表现出振荡。在本文中，我们引入了一种“平滑”方案，该方案可以与GDA结合以稳定振荡并确保收敛到固定溶液。我们证明，稳定的GDA算法可以实现$ O（1/\ epsilon^2）$迭代复杂性，以最大程度地减少有限的非convex函数收集的最大值。此外，平滑的GDA算法达到了$ O（1/\ epsilon^4）$ toseration复杂性，用于一般的nonconvex-concave问题。提出了这种稳定的GDA算法的扩展到多块情况。据我们所知，这是第一个实现$ o（1/\ epsilon^2）$的算法，用于一类NonConvex-Concave问题。我们说明了稳定的GDA算法在健壮训练中的实际效率。

NonConvex-Concave Minimax优化已经对机器学习产生了浓厚的兴趣，包括对数据分配具有稳健性，以非解释性损失，对抗性学习为单一的学习。然而，大多数现有的作品都集中在梯度散发性（GDA）变体上，这些变体只能在平滑的设置中应用。在本文中，我们考虑了一个最小问题的家族，其目标功能在最小化变量中享有非平滑复合结构，并且在最大化的变量中是凹入的。通过充分利用复合结构，我们提出了平滑的近端线性下降上升（\ textit {平滑} plda）算法，并进一步建立了其$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 4}）在平滑设置下，平滑的gda〜 \ cite {zhang2020single}。此外，在一个温和的假设下，目标函数满足单方面的kurdyka- \ l {} ojasiewicz条件，带有指数$ \ theta \ in（0,1）$，我们可以进一步将迭代复杂性提高到$ \ MATHCAL {O }（\ epsilon^{ - 2 \ max \ {2 \ theta，1 \}}）$。据我们所知，这是第一种非平滑nonconvex-concave问题的可证明有效的算法，它可以实现最佳迭代复杂性$ \ MATHCAL {o}（\ epsilon^{ - 2}）$，如果$ \ theta \ 0,1/2] $。作为副产品，我们讨论了不同的平稳性概念并定量澄清它们的关系，这可能具有独立的兴趣。从经验上，我们说明了拟议的平滑PLDA在变体正规化WassErstein分布在鲁棒优化问题上的有效性。

最近，由于这些问题与一些新兴应用的相关性，最近有许多研究工作用于开发有效算法，以解决理论收敛的保证。在本文中，我们提出了一种统一的单环交替梯度投影（AGP）算法，用于求解平滑的非convex-（强烈）凹面和（强烈）凸出 - 非concave minimax问题。 AGP采用简单的梯度投影步骤来更新每次迭代时的原始变量和双变量。我们表明，它可以在$ \ MATHCAL {O} \ left（\ Varepsilon ^{ - 2} \ right）$（rep. $ \ Mathcal {O} \ left）中找到目标函数的$ \ VAREPSILON $ -STAIMATARY点。 （\ varepsilon ^{ - 4} \ right）$）$迭代，在nonconvex-strongly凹面（resp。nonconvex-concave）设置下。此外，获得目标函数的$ \ VAREPSILON $ -STAIMATARY的梯度复杂性由$ \ Mathcal {o} \ left（\ varepsilon ^{ - 2} \ right）界限O} \ left（\ varepsilon ^{ - 4} \ right）$在强烈的convex-nonconcave（resp。，convex-nonconcave）设置下。据我们所知，这是第一次开发出一种简单而统一的单环算法来解决非convex-（强烈）凹面和（强烈）凸出 - 非concave minimax问题。此外，在文献中从未获得过解决后者（强烈）凸线 - 非孔孔的最小问题的复杂性结果。数值结果表明所提出的AGP算法的效率。此外，我们通过提出块交替近端梯度（BAPG）算法来扩展AGP算法，以求解更通用的多块非块非conmooth nonmooth nonmooth noncovex-（强）凹面和（强烈）convex-nonconcave minimax问题。我们可以在这四个不同的设置下类似地建立所提出算法的梯度复杂性。

非convex受限的优化问题可用于模拟许多机器学习问题，例如多级Neyman-Pearson分类和受限的Markov决策过程。但是，由于目标和约束可能是非概念，因此这些问题都是具有挑战性的，因此很难平衡减少损失价值和减少约束违规行为的平衡。尽管有几种方法可以解决此类问题，但它们都是双环或三环算法，它们需要Oracles来解决某些子问题，通过在每次迭代中调整多个超级参数，以达到某些准确性。在本文中，我们提出了一种新型的梯度下降和扰动的上升（GDPA）算法，以解决一类平滑的非概念不平等的限制问题。 GDPA是一种原始的偶算法，仅利用目标和约束函数的一阶信息，以交替的方式更新原始变量和双重变量。该算法的关键特征是它是一种单循环算法，其中只需要调整两个步骤尺寸。我们表明，在轻度的规律性条件下，GDPA能够找到非convex功能约束问题的Karush-Kuhn-Tucker（KKT）点，并保证了收敛率。据我们所知，这是第一个可以通过非convex不等式约束来解决一般非凸的平滑问题的单循环算法。与最著名的算法相比，数值结果还显示了GDPA的优越性（就平稳性测量和获得的溶液的可行性而言）。

Minimax优化已成为许多机器学习（ML）问题的骨干。尽管优化算法的收敛行为已在minimax设置中进行了广泛的研究，但它们在随机环境中的概括保证，即对经验数据训练的解决方案如何在看不见的测试数据上执行，但相对却相对均未被倍增。一个基本问题仍然难以捉摸：研究最小学习者的概括是什么？在本文中，我们的目标是首先证明原始风险是研究最小化中的普遍性的普遍指标，在简单的最小问题示例中失败了。此外，由于鞍点不存在，另一个流行的指标，即原始的双重风险，也无法表征非凸度问题的最小值问题的概括行为。因此，我们提出了一个新的指标，以研究最小学习者的概括：原始差距，以规避这些问题。接下来，我们在非convex-concave设置中得出原始差距的概括范围。作为我们分析的副产品，我们还解决了两个空旷的问题：在强大意义上，建立原始风险和原始偶发风险的概括范围，即没有强大的凹面或假设最大化和期望可以互换，而这些假设中的任何一个都可以互换在文献中需要。最后，我们利用这一新指标比较了两种流行算法的概括行为 - 梯度下降（GDA）和梯度下降 - 最大趋势 - 最小值优化。

我们考虑非凸凹minimax问题，$ \ min _ {\ mathbf {x}} \ mathcal {y}} f（\ mathbf {x}，\ mathbf {y}）$， $ f $在$ \ mathbf {x} $ on $ \ mathbf {y} $和$ \ mathcal {y} $中的$ \ \ mathbf {y} $。解决此问题的最受欢迎的算法之一是庆祝的梯度下降上升（GDA）算法，已广泛用于机器学习，控制理论和经济学。尽管凸凹设置的广泛收敛结果，但具有相等步骤的GDA可以收敛以限制循环甚至在一般设置中发散。在本文中，我们介绍了两次尺度GDA的复杂性结果，以解决非膨胀凹入的最小问题，表明该算法可以找到函数$ \ phi（\ cdot）的静止点：= \ max _ {\ mathbf {Y} \ In \ Mathcal {Y}} F（\ CDOT，\ MATHBF {Y}）高效。据我们所知，这是对这一环境中的两次尺度GDA的第一个非因对药分析，阐明了其在培训生成对抗网络（GANS）和其他实际应用中的优越实际表现。

Nonconvex minimax problems have attracted wide attention in machine learning, signal processing and many other fields in recent years. In this paper, we propose a primal dual alternating proximal gradient (PDAPG) algorithm and a primal dual proximal gradient (PDPG-L) algorithm for solving nonsmooth nonconvex-strongly concave and nonconvex-linear minimax problems with coupled linear constraints, respectively. The corresponding iteration complexity of the two algorithms are proved to be $\mathcal{O}\left( \varepsilon ^{-2} \right)$ and $\mathcal{O}\left( \varepsilon ^{-3} \right)$ to reach an $\varepsilon$-stationary point, respectively. To our knowledge, they are the first two algorithms with iteration complexity guarantee for solving the two classes of minimax 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。

Nonconvex-nonconcave minimax optimization has been the focus of intense research over the last decade due to its broad applications in machine learning and operation research. Unfortunately, most existing algorithms cannot be guaranteed to converge and always suffer from limit cycles. Their global convergence relies on certain conditions that are difficult to check, including but not limited to the global Polyak-\L{}ojasiewicz condition, the existence of a solution satisfying the weak Minty variational inequality and $\alpha$-interaction dominant condition. In this paper, we develop the first provably convergent algorithm called doubly smoothed gradient descent ascent method, which gets rid of the limit cycle without requiring any additional conditions. We further show that the algorithm has an iteration complexity of $\mathcal{O}(\epsilon^{-4})$ for finding a game stationary point, which matches the best iteration complexity of single-loop algorithms under nonconcave-concave settings. The algorithm presented here opens up a new path for designing provable algorithms for nonconvex-nonconcave minimax optimization problems.

梯度下降上升（GDA），最简单的单环路算法用于非凸起最小化优化，广泛用于实际应用，例如生成的对抗网络（GANS）和对抗性训练。尽管其理想的简单性，最近的工作表明了理论上的GDA的较差收敛率，即使在一侧对象的强凹面也是如此。本文为两个替代的单环算法建立了新的收敛结果 - 交替GDA和平滑GDA - 在温和的假设下，目标对一个变量的polyak-lojasiewicz（pl）条件满足Polyak-lojasiewicz（pl）条件。我们证明，找到一个$ \ epsilon $ -stationary点，（i）交替的GDA及其随机变体（没有迷你批量），分别需要$ o（\ kappa ^ {2} \ epsilon ^ { - 2}）$和$ o（\ kappa ^ {4} \ epsilon ^ {-4}）$迭代，而（ii）平滑gda及其随机变体（没有迷你批次）分别需要$ o（\ kappa \ epsilon ^ { - 2}） $和$ o（\ kappa ^ {2} \ epsilon ^ { - 4}）$迭代。后者大大改善了Vanilla GDA，并在类似的环境下给出了单环算法之间的最佳已知复杂性结果。我们进一步展示了这些算法在训练GAN和强大的非线性回归中的经验效率。

本文分析了双模的彼此优化随机算法框架。 Bilevel优化是一类表现出两级结构的问题，其目标是使具有变量的外目标函数最小化，该变量被限制为对（内部）优化问题的最佳解决方案。我们考虑内部问题的情况是不受约束的并且强烈凸起的情况，而外部问题受到约束并具有平滑的目标函数。我们提出了一种用于解决如此偏纤维问题的两次时间尺度随机近似（TTSA）算法。在算法中，使用较大步长的随机梯度更新用于内部问题，而具有较小步长的投影随机梯度更新用于外部问题。我们在各种设置下分析了TTSA算法的收敛速率：当外部问题强烈凸起（RESP。〜弱凸）时，TTSA算法查找$ \ MATHCAL {O}（k ^ { - 2/3}）$ -Optimal（resp。〜$ \ mathcal {o}（k ^ {-2/5}）$ - 静止）解决方案，其中$ k $是总迭代号。作为一个应用程序，我们表明，两个时间尺度的自然演员 - 批评批评近端策略优化算法可以被视为我们的TTSA框架的特殊情况。重要的是，与全球最优政策相比，自然演员批评算法显示以预期折扣奖励的差距，以$ \ mathcal {o}（k ^ { - 1/4}）的速率收敛。

最近有利息线性编程（LP）的一阶方法。在本文中，我们提出了一种使用差异减少的随机算法，并重新启动，用于解决LP等尖锐的原始 - 双重问题。我们表明，所提出的随机方法表现出具有高概率的尖锐实例的线性收敛速率，这提高了现有的确定性和随机算法的复杂性。此外，我们提出了一个有效的基于坐标的随机甲骨文，用于无限制的双线性问题，它具有$ \ Mathcal O（1）$彼得迭代成本并改善总牌数量达到一定的准确性。

二重优化发现在现代机器学习问题中发现了广泛的应用，例如超参数优化，神经体系结构搜索，元学习等。而具有独特的内部最小点（例如，内部功能是强烈凸的，都具有唯一的内在最小点）的理解，这是充分理解的，多个内部最小点的问题仍然是具有挑战性和开放的。为此问题设计的现有算法适用于限制情况，并且不能完全保证融合。在本文中，我们采用了双重优化的重新制定来限制优化，并通过原始的双二线优化（PDBO）算法解决了问题。 PDBO不仅解决了多个内部最小挑战，而且还具有完全一阶效率的情况，而无需涉及二阶Hessian和Jacobian计算，而不是大多数现有的基于梯度的二杆算法。我们进一步表征了PDBO的收敛速率，它是与多个内部最小值的双光线优化的第一个已知的非质合收敛保证。我们的实验证明了所提出的方法的预期性能。

Theoretical properties of bilevel problems are well studied when the lower-level problem is strongly convex. In this work, we focus on bilevel optimization problems without the strong-convexity assumption. In these cases, we first show that the common local optimality measures such as KKT condition or regularization can lead to undesired consequences. Then, we aim to identify the mildest conditions that make bilevel problems tractable. We identify two classes of growth conditions on the lower-level objective that leads to continuity. Under these assumptions, we show that the local optimality of the bilevel problem can be defined via the Goldstein stationarity condition of the hyper-objective. We then propose the Inexact Gradient-Free Method (IGFM) to solve the bilevel problem, using an approximate zeroth order oracle that is of independent interest. Our non-asymptotic analysis demonstrates that the proposed method can find a $(\delta, \varepsilon)$ Goldstein stationary point for bilevel problems with a zeroth order oracle complexity that is polynomial in $d, 1/\delta$ and $1/\varepsilon$.

我们提出了随机方差降低算法，以求解凸 - 凸座鞍点问题，单调变异不平等和单调夹杂物。我们的框架适用于Euclidean和Bregman设置中的外部，前向前后和前反向回复的方法。所有提出的方法都在与确定性的对应物相同的环境中收敛，并且它们要么匹配或改善了解决结构化的最低最大问题的最著名复杂性。我们的结果加强了变异不平等和最小化之间的差异之间的对应关系。我们还通过对矩阵游戏的数值评估来说明方法的改进。

随机梯度下降（SGDA）及其变体一直是解决最小值问题的主力。但是，与研究有差异隐私（DP）约束的经过良好研究的随机梯度下降（SGD）相反，在理解具有DP约束的SGDA的概括（实用程序）方面几乎没有工作。在本文中，我们使用算法稳定性方法在不同的设置中建立DP-SGDA的概括（实用程序）。特别是，对于凸 - 凸环设置，我们证明DP-SGDA可以在平滑和非平滑案例中都可以根据弱原始二元人群风险获得最佳的效用率。据我们所知，这是在非平滑案例中DP-SGDA的第一个已知结果。我们进一步在非convex-rong-concave环境中提供了实用性分析，这是原始人口风险的首个已知结果。即使在非私有设置中，此非convex设置的收敛和概括结果也是新的。最后，进行了数值实验，以证明DP-SGDA在凸和非凸病例中的有效性。

Iterative regularization is a classic idea in regularization theory, that has recently become popular in machine learning. On the one hand, it allows to design efficient algorithms controlling at the same time numerical and statistical accuracy. On the other hand it allows to shed light on the learning curves observed while training neural networks. In this paper, we focus on iterative regularization in the context of classification. After contrasting this setting with that of regression and inverse problems, we develop an iterative regularization approach based on the use of the hinge loss function. More precisely we consider a diagonal approach for a family of algorithms for which we prove convergence as well as rates of convergence. Our approach compares favorably with other alternatives, as confirmed also in numerical simulations.

本文重点介绍了解决光滑非凸强凹入最小问题的随机方法，这导致了由于其深度学习中的潜在应用而受到越来越长的关注（例如，深度AUC最大化，分布鲁棒优化）。然而，大多数现有算法在实践中都很慢，并且它们的分析围绕到几乎静止点的收敛。我们考虑利用Polyak-\ L Ojasiewicz（PL）条件来设计更快的随机算法，具有更强的收敛保证。尽管已经用于设计许多随机最小化算法的PL条件，但它们对非凸敏最大优化的应用仍然罕见。在本文中，我们提出并分析了基于近端的跨越时代的方法的通用框架，许多众所周知的随机更新嵌入。以{\ BF原始物镜差和二元间隙}的方式建立快速收敛。与现有研究相比，（i）我们的分析基于一个新的Lyapunov函数，包括原始物理差距和正则化功能的二元间隙，（ii）结果更加全面，提高了更好的依赖性的速率不同假设下的条件号。我们还开展深层和非深度学习实验，以验证我们的方法的有效性。

Convex function constrained optimization has received growing research interests lately. For a special convex problem which has strongly convex function constraints, we develop a new accelerated primal-dual first-order method that obtains an $\Ocal(1/\sqrt{\vep})$ complexity bound, improving the $\Ocal(1/{\vep})$ result for the state-of-the-art first-order methods. The key ingredient to our development is some novel techniques to progressively estimate the strong convexity of the Lagrangian function, which enables adaptive step-size selection and faster convergence performance. In addition, we show that the complexity is further improvable in terms of the dependence on some problem parameter, via a restart scheme that calls the accelerated method repeatedly. As an application, we consider sparsity-inducing constrained optimization which has a separable convex objective and a strongly convex loss constraint. In addition to achieving fast convergence, we show that the restarted method can effectively identify the sparsity pattern (active-set) of the optimal solution in finite steps. To the best of our knowledge, this is the first active-set identification result for sparsity-inducing constrained optimization.

We study stochastic monotone inclusion problems, which widely appear in machine learning applications, including robust regression and adversarial learning. We propose novel variants of stochastic Halpern iteration with recursive variance reduction. In the cocoercive -- and more generally Lipschitz-monotone -- setup, our algorithm attains $\epsilon$ norm of the operator with $\mathcal{O}(\frac{1}{\epsilon^3})$ stochastic operator evaluations, which significantly improves over state of the art $\mathcal{O}(\frac{1}{\epsilon^4})$ stochastic operator evaluations required for existing monotone inclusion solvers applied to the same problem classes. We further show how to couple one of the proposed variants of stochastic Halpern iteration with a scheduled restart scheme to solve stochastic monotone inclusion problems with ${\mathcal{O}}(\frac{\log(1/\epsilon)}{\epsilon^2})$ stochastic operator evaluations under additional sharpness or strong monotonicity assumptions.