在本文中，我们提出了一种实用的在线方法，用于解决具有非凸面目标的一类分布稳健优化（DRO），这在机器学习中具有重要应用，以改善神经网络的稳健性。在文献中，大多数用于解决DRO的方法都基于随机原始方法。然而，DRO的原始方法患有几个缺点：（1）操纵对应于数据尺寸的高维双变量是昂贵的; （2）他们对网上学习不友好，其中数据顺序地发表。为了解决这些问题，我们考虑一类具有KL发散正则化的Dual变量的DRO，将MIN-MAX问题转换为组成最小化问题，并提出了无需较大的批量批量的无需线在线随机方法。我们建立了所提出的方法的最先进的复杂性，而无需多达\ L Ojasiewicz（PL）条件。大规模深度学习任务（i）的实证研究表明，我们的方法可以将培训加速超过2次，而不是基线方法，并在带有$ \ SIM $ 265K图像的大型数据集上节省培训时间。 （ii）验证DRO对实证数据集上的经验风险最小化（ERM）的最高表现。独立兴趣，所提出的方法也可用于解决与最先进的复杂性的随机成分问题家族。

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。

In this paper, we present a simple yet effective method (ABSGD) for addressing the data imbalance issue in deep learning. Our method is a simple modification to momentum SGD where we leverage an attentional mechanism to assign an individual importance weight to each gradient in the mini-batch. Unlike many existing heuristic-driven methods for tackling data imbalance, our method is grounded in {\it theoretically justified distributionally robust optimization (DRO)}, which is guaranteed to converge to a stationary point of an information-regularized DRO problem. The individual-level weight of a sampled data is systematically proportional to the exponential of a scaled loss value of the data, where the scaling factor is interpreted as the regularization parameter in the framework of information-regularized DRO. Compared with existing class-level weighting schemes, our method can capture the diversity between individual examples within each class. Compared with existing individual-level weighting methods using meta-learning that require three backward propagations for computing mini-batch stochastic gradients, our method is more efficient with only one backward propagation at each iteration as in standard deep learning methods. To balance between the learning of feature extraction layers and the learning of the classifier layer, we employ a two-stage method that uses SGD for pretraining followed by ABSGD for learning a robust classifier and finetuning lower layers. Our empirical studies on several benchmark datasets demonstrate the effectiveness of the proposed method.

在本文中，我们提出了适用于深度学习的单向和双向部分AUC（PAUC）最大化的系统和高效的基于梯度的方法。我们通过使用分布强大的优化（DRO）来定义每个单独的积极数据的损失，提出了PAUC替代目标的新公式。我们考虑了两种DRO的配方，其中一种是基于条件 - 价值风险（CVAR），该风险（CVAR）得出了PAUC的非平滑但精确的估计器，而另一个基于KL差异正则DRO产生不确定的dro。但是PAUC的平滑（软）估计器。对于单向和双向PAUC最大化，我们提出了两种算法，并证明了它们分别优化其两种配方的收敛性。实验证明了所提出的算法对PAUC最大化的有效性，以对各种数据集进行深度学习。

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。

在本文中，我们研究了多块最小双重双层优化问题，其中上层是非凸线的最小值最小值目标，而下层级别是一个强烈的凸目标，并且有多个双重变量块和下层级别。问题。由于交织在一起的多块最小双重双重结构，每次迭代处的计算成本可能高高，尤其是在大量块中。为了应对这一挑战，我们提出了一种单循环随机随机算法，该算法需要在每次迭代时仅恒定数量的块进行更新。在对问题的一些温和假设下，我们建立了$ \ Mathcal {o}（1/\ Epsilon^4）$的样本复杂性，用于查找$ \ epsilon $ - 稳定点。这匹配了在一般无偏见的随机甲骨文模型下求解随机非convex优化的最佳复杂性。此外，我们在多任务深度AUC（ROC曲线下）最大化和多任务深度部分AUC最大化中提供了两种应用。实验结果验证了我们的理论，并证明了我们方法对数百个任务问题的有效性。

ROC曲线下的区域（又称AUC）是评估分类器不平衡数据的性能的选择。 AUC最大化是指通过直接最大化其AUC分数来学习预测模型的学习范式。它已被研究了二十年来，其历史可以追溯到90年代后期，从那时起，大量工作就致力于最大化。最近，对大数据和深度学习的深度最大化的随机AUC最大化已受到越来越多的关注，并对解决现实世界中的问题产生了巨大的影响。但是，据我们所知，没有对AUC最大化的相关作品进行全面调查。本文旨在通过回顾过去二十年来审查文献来解决差距。我们不仅给出了文献的整体看法，而且还提供了从配方到算法和理论保证的不同论文的详细解释和比较。我们还确定并讨论了深度AUC最大化的剩余和新兴问题，并就未来工作的主题提供建议。

在本文中，我们考虑基于移动普通（SEMA）的广泛使用但不完全了解随机估计器，其仅需要{\ bf是一般无偏的随机oracle}。我们展示了Sema在一系列随机非凸优化问题上的力量。特别是，我们分析了基于SEMA的SEMA的{\ BF差异递归性能的各种随机方法（现有或新提出），即三个非凸优化，即标准随机非凸起最小化，随机非凸强烈凹入最小最大优化，随机均方优化。我们的贡献包括：（i）对于标准随机非凸起最小化，我们向亚当风格方法（包括ADAM，AMSGRAD，Adabound等）提供了一个简单而直观的融合证明，随着越来越大的“势头” “一阶时刻的参数，它给出了一种替代但更自然的方式来保证亚当融合; （ii）对于随机非凸强度凹入的最小值优化，我们介绍了一种基于移动平均估计器的单环原始 - 双随机动量和自适应方法，并确定其Oracle复杂性$ O（1 / \ epsilon ^ 4）$不使用大型批量大小，解决文献中的差距; （iii）对于随机双脚优化，我们介绍了一种基于移动平均估计器的单环随机方法，并确定其Oracle复杂性$ \ widetilde o（1 / \ epsilon ^ 4）$，而无需计算Hessian矩阵的SVD，改善最先进的结果。对于所有这些问题，我们还建立了使用随机梯度估计器的差异递减结果。

已经对蜘蛛/莎拉/风暴等方差降低技术进行了广泛的研究，以提高随机非凸优化的收敛速率，这些优化通常维护和更新跨迭代中单个函数的估计器序列。 {\如果我们需要在迭代中跟踪多个功能映射，但是只有访问$ \ Mathcal {o}的随机样品（1）$在每次迭代时$ functional映射？}在解决一个新兴的家族时，有一个重要的应用程序以$ \ sum_ {i = 1}^m f_i（g_i（\ mathbf {w}））的形式形式的耦合组合优化问题，其中$ g_i $可通过随机甲骨文访问$ g_i $。关键问题是跟踪和估计$ \ mathbf g（\ mathbf {w}）=（g_1（\ mathbf {w}），\ ldots，g_m（\ mathbf {w}）$ $ \ mathbf g（\ mathbf {w}）$具有$ m $块，只允许探测$ \ mathcal {o}（1）$块才能达到其随机值和雅各布人。为了提高解决这些问题的复杂性，我们提出了一种新型随机方法，称为多块单个探针差异（MSVR）估计器，以跟踪$ \ mathbf g（\ mathbf {w}）$的序列。它的灵感来自风暴，但引入了定制的误差校正术语，不仅可以减轻所选块的随机样品中的噪声，而且还可以减轻那些未进行采样的块中的噪声。在MSVR估计器的帮助下，我们开发了几种算法来解决上述组成问题，并在具有非convex/convex/convex/strank strank convex目标的各种设置中具有改善的复杂性。我们的结果在几个方面都改善了先前的结果，包括样本复杂性和对强凸参数的依赖。多任务深度AUC最大化的经验研究表明，使用新估计器的性能更好。

本文研究了一系列组成函数的随机优化，其中每个汇总的内部函数与相应的求和指数耦合。我们将这个问题家族称为有限和耦合的组成优化（FCCO）。它在机器学习中具有广泛的应用，用于优化非凸或凸组成措施/目标，例如平均精度（AP），p-norm推动，列表排名损失，邻居组成分析（NCA），深度生存分析，深层可变模型等等，这应该得到更精细的分析。然而，现有的算法和分析在一个或其他方面受到限制。本文的贡献是为非凸和凸目标的简单随机算法提供全面的收敛分析。我们的关键结果是通过使用带有微型批次的基于移动平均的估计器，通过并行加速提高了Oracle的复杂性。我们的理论分析还展示了通过对外部和内部水平相等大小的批量来改善实际实现的新见解。关于AP最大化，NCA和P-norm推动的数值实验证实了该理论的某些方面。

ROC（AUROC）和精密召回曲线（AUPRC）的区域是用于评估不平衡问题的分类性能的常见度量。与AUROC相比，AUPRC是一个更合适的度量，用于高度不平衡的数据集。虽然已经广泛研究了Auroc的随机优化，但Auprc的原则随机优化已经很少被探索。在这项工作中，我们提出了一个原则的技术方法来优化Auprc进行深度学习。我们的方法是基于最大化平均精度（AP），这是Auprc的一个非偏见点估计器。我们将目标分为{\ IT依赖的组成函数}的总和，内部函数取决于外层的随机变量。通过利用随机成分优化的最新进展，我们提出了具有{\ IT可提供的收敛保证的皂的适应性和非自适应随机算法。图像和图表数据集的广泛实验结果表明，我们所提出的方法在AUPRC方面占据了对不平衡问题的现有方法。据我们所知，我们的工作代表了第一次尝试使用可提供的融合优化AUPRC。 SOAP已在Libauc库中在〜\ URL {https://libauc.org/}中实现。

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。

该工作研究限制了随机函数是凸的，并表示为随机函数的组成。问题是在公平分类，公平回归和排队系统设计的背景下出现的。特别令人感兴趣的是甲骨文提供组成函数的随机梯度的大规模设置，目标是用最小对Oracle的调用来解决问题。由于组成形式，Oracle提供的随机梯度不会产生目标或约束梯度的无偏估计。取而代之的是，我们通过跟踪内部函数评估来构建近似梯度，从而导致准差鞍点算法。我们证明，所提出的算法几乎可以肯定地找到最佳和可行的解决方案。我们进一步确定所提出的算法需要$ \ MATHCAL {O}（1/\ EPSILON^4）$数据样本，以便获得$ \ epsilon $ -Approximate-approximate-apptroximate Pointal点，同时也确保零约束违反。该结果与无约束问题的随机成分梯度下降方法的样品复杂性相匹配，并改善了受约束设置的最著名样品复杂性结果。在公平分类和公平回归问题上测试了所提出的算法的功效。数值结果表明，根据收敛速率，所提出的算法优于最新算法。

亚当是训练深神经网络的最具影响力的自适应随机算法之一，即使在简单的凸面设置中，它也被指出是不同的。许多尝试，例如降低自适应学习率，采用较大的批量大小，结合了时间去相关技术，寻求类似的替代物，\ textit {etc。}，以促进Adam-type算法融合。与现有方法相反，我们引入了另一种易于检查的替代条件，这仅取决于基础学习率的参数和历史二阶时刻的组合，以确保通用ADAM的全球融合以解决大型融合。缩放非凸随机优化。这种观察结果以及这种足够的条件，对亚当的差异产生了更深刻的解释。另一方面，在实践中，无需任何理论保证，广泛使用了迷你ADAM和分布式ADAM。我们进一步分析了分布式系统中的批次大小或节点的数量如何影响亚当的收敛性，从理论上讲，这表明迷你批次和分布式亚当可以通过使用较大的迷你批量或较大的大小来线性地加速节点的数量。最后，我们应用了通用的Adam和Mini Batch Adam，具有足够条件来求解反例并在各种真实世界数据集上训练多个神经网络。实验结果完全符合我们的理论分析。

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。

最近，有大量的工作致力于研究马尔可夫链随机梯度方法（MC-SGMS），这些方法主要集中于他们解决最小化问题的收敛分析。在本文中，我们通过统计学习理论框架中的算法稳定性镜头对MC-SGM进行了全面的MC-SGMS分析。对于经验风险最小化（ERM）问题，我们通过引入实用的论点稳定性来建立平稳和非平滑案例的最佳人口风险界限。对于最小值问题，我们建立了在平均参数稳定性和概括误差之间的定量连接，该误差扩展了均匀稳定性\ cite {lei2021Staritibal}的现有结果。我们进一步开发了预期和高概率的凸孔问题问题的第一个几乎最佳的收敛速率，这与我们的稳定性结果相结合，表明可以在平滑和非平滑案例中达到最佳的概括界限。据我们所知，这是对梯度从马尔可夫过程采样时对SGM的首次概括分析。

X-fisk是一个介绍的术语，以代表组成量度或目标家族，其中每个数据点与一组数据点显式或隐式进行比较，以定义风险函数。它包括许多广泛使用的措施或目标在一定的召回水平上的精确度，对比目标等处于最高$ K $的位置。尽管在机器学习，计算机视觉，信息检索等文献中已经研究了这些措施/目标及其优化算法，但优化了这些措施/目标在深度学习方面遇到了一些独特的挑战。在这份技术报告中，我们通过重点关注其算法基础，调查了最近对深X风险优化（DXO）的严格努力。我们介绍了一类技术，以优化X风险以进行深度学习。我们分别将DXO分别属于非凸端优化的非凸优化问题的三个特殊家族，分别分别属于Min-Max优化，非凸组成优化和非Convex Bilevel优化。对于每个问题家族，我们提出了一些强大的基线算法及其复杂性，这将激发进一步的研究以改善现有结果。关于提出的结果和未来研究的讨论在最后进行。在www.libauc.org的libauc库中实现了用于优化各种X风险的有效算法。

自2014年发明以来，亚当优化器得到了巨大的关注。一方面，它已被广泛用于深度学习，并且已经提出了许多变体，而另一方面，他们的理论会聚属性仍然是一个谜。在某种意义上，某些研究需要对更新的强烈假设不一定适用，而其他研究仍然遵循ADAM的原始问题收敛分析，这是令人满意的，而其他研究仍然是确保收敛的原始问题收敛分析。虽然ADAM存在严格的收敛分析，但它们对自适应步长的更新施加了特定的要求，这不足以覆盖亚当的许多其他变体。为了解决这些问题，在这个扩展的摘要中，我们为ADAM样式方法（包括亚当，AMSGRAD，Adabound等）提供了一个简单而通用的融合证明。我们的分析只需要一个增加或大的“动量”参数，用于一阶时刻，这实际上是在实践中使用的情况，以及对阶梯尺寸的自适应因子的界限条件，其适用于在温和下的亚当的所有变体随机梯度的条件。我们还建立了使用随机梯度估计器的差异递减结果。实际上，我们对亚当的分析如此简单，通用，可以利用来建立求解更广泛的非凸优化问题的收敛性，包括最小，组成和彼得优化问题。对于此扩展摘要的完整（早期）版本，请参阅ARXIV：2104.14840。

Bilevel优化是在机器学习的许多领域中最小化涉及另一个功能的价值函数的问题。在大规模的经验风险最小化设置中，样品数量很大，开发随机方法至关重要，而随机方法只能一次使用一些样品进行进展。但是，计算值函数的梯度涉及求解线性系统，这使得很难得出无偏的随机估计。为了克服这个问题，我们引入了一个新颖的框架，其中内部问题的解决方案，线性系统的解和主要变量同时发展。这些方向是作为总和写成的，使其直接得出无偏估计。我们方法的简单性使我们能够开发全球差异算法，其中所有变量的动力学都会降低差异。我们证明，萨巴（Saba）是我们框架中著名的传奇算法的改编，具有$ o（\ frac1t）$收敛速度，并且在polyak-lojasciewicz的假设下实现了线性收敛。这是验证这些属性之一的双光线优化的第一种随机算法。数值实验验证了我们方法的实用性。

成对学习是指损失函数取决于一对情况的学习任务。它实例化了许多重要的机器学习任务，如双级排名和度量学习。一种流行的方法来处理成对学习中的流数据是在线梯度下降（OGD）算法，其中需要将当前实例配对以前具有足够大的尺寸的先前实例的电流实例，因此遭受可扩展性问题。在本文中，我们提出了用于成对学习的简单随机和在线梯度下降方法。与现有研究的显着差异是，我们仅将当前实例与前一个构建梯度方向配对，这在存储和计算复杂性中是有效的。我们为凸和非凸起的展示结果，优化和泛化误差界以及平滑和非光滑问题都开发了新颖的稳定性结果，优化和泛化误差界限。我们引入了新颖的技术来解耦模型的依赖性和前一个例子在优化和泛化分析中。我们的研究解决了使用具有非常小的固定尺寸的缓冲集开发OGD的有意义的泛化范围的开放问题。我们还扩展了我们的算法和稳定性分析，以便为成对学习开发差异私有的SGD算法，这显着提高了现有结果。