我们分析了一类养生问题，其中高级问题在于平滑的目标函数的最小化和下层问题是找到平滑收缩图的固定点。这种类型的问题包括元学习，平衡模型，超参数优化和数据中毒对抗性攻击的实例。最近的几项作品提出了算法，这些算法温暖了较低级别的问题，即他们使用先前的下级近似解决方案作为低级求解器的凝视点。这种温暖的启动程序使人们可以在随机和确定性设置中提高样品复杂性，在某些情况下可以实现订单的最佳样品复杂性。但是，存在一些情况，例如元学习和平衡模型，其中温暖的启动程序不适合或无效。在这项工作中，我们表明没有温暖的启动，仍然可以实现订单的最佳或近乎最佳的样品复杂性。特别是，我们提出了一种简单的方法，该方法在下层下使用随机固定点迭代，并在上层处预测不精确的梯度下降，该梯度下降到达$ \ epsilon $ -Stationary Point，使用$ O（\ Epsilon^{-2） }）$和$ \ tilde {o}（\ epsilon^{ - 1}）$样本分别用于随机和确定性设置。最后，与使用温暖启动的方法相比，我们的方法产生了更简单的分析，不需要研究上层和下层迭代之间的耦合相互作用

我们研究了一类算法，用于在内部级别物镜强烈凸起时求解随机和确定性设置中的彼此优化问题。具体地，我们考虑基于不精确的隐含区分的算法，并且我们利用热门开始策略来摊销精确梯度的估计。然后，我们介绍了一个统一的理论框架，受到奇异的扰动系统（Habets，1974）的研究来分析这种摊销算法。通过使用此框架，我们的分析显示了匹配可以访问梯度无偏见估计的Oracle方法的计算复杂度的算法，从而优于彼此优化的许多现有结果。我们在合成实验中说明了这些发现，并展示了这些算法对涉及几千个变量的超参数优化实验的效率。

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。

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。

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。

找到模型的最佳超参数可以作为双重优化问题，通常使用零级技术解决。在这项工作中，当内部优化问题是凸但不平滑时，我们研究一阶方法。我们表明，近端梯度下降和近端坐标下降序列序列的前向模式分化，雅各比人会收敛到精确的雅各布式。使用隐式差异化，我们表明可以利用内部问题的非平滑度来加快计算。最后，当内部优化问题大约解决时，我们对高度降低的误差提供了限制。关于回归和分类问题的结果揭示了高参数优化的计算益处，尤其是在需要多个超参数时。

我们改进了用于分析非凸优化随机梯度下降（SGD）的最新工具，以获得香草政策梯度（PG） - 加强和GPOMDP的收敛保证和样本复杂性。我们唯一的假设是预期回报是平滑的w.r.t.策略参数以及其渐变的第二个时刻满足某种\ EMPH {ABC假设}。 ABC的假设允许梯度的第二时刻绑定为\ geq 0 $次的子项优差距，$ b \ geq 0 $乘以完整批量梯度的标准和添加剂常数$ c \ geq 0 $或上述任何组合。我们表明ABC的假设比策略空间上的常用假设更为一般，以证明收敛到静止点。我们在ABC的假设下提供单个融合定理，并表明，尽管ABC假设的一般性，我们恢复了$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ epsilon ^ {-4}）$样本复杂性pg 。我们的融合定理还可在选择超参数等方面提供更大的灵活性，例如步长和批量尺寸的限制$ M $。即使是单个轨迹案例（即，$ M = 1 $）适合我们的分析。我们认为，ABC假设的一般性可以为PG提供理论担保，以至于以前未考虑的更广泛的问题。

在本文中，我们考虑了第一和二阶技术来解决机器学习中产生的连续优化问题。在一阶案例中，我们提出了一种从确定性或半确定性到随机二次正则化方法的转换框架。我们利用随机优化的两相性质提出了一种具有自适应采样和自适应步长的新型一阶算法。在二阶案例中，我们提出了一种新型随机阻尼L-BFGS方法，该方法可以在深度学习的高度非凸起背景下提高先前的算法。这两种算法都在众所周知的深度学习数据集上进行评估并表现出有希望的性能。

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.

在本文中，我们提出了一种新的Hessian逆自由单环算法（FSLA），用于彼此优化问题。 Bilevel优化的经典算法承认计算昂贵的双回路结构。最近，已经提出了几种单循环算法，其具有优化内部和外部变量。但是，这些算法尚未实现完全单循环。因为它们忽略了评估给定内部和外部状态的超梯度所需的循环。为了开发一个完全单环算法，我们首先研究超梯度的结构，并识别超梯度计算的一般近似配方，这些计算包括几种先前的常见方法，例如，通过时间，共轭渐变，\ emph {等}基于此配方，介绍一个新的状态变量来维护历史超梯度信息。将我们的新配方与内外变量的替代更新相结合，我们提出了一种高效的全循环算法。理论上我们可以显示新状态生成的错误可以界限，我们的算法收敛于$ O（\ epsilon ^ {-2}）$。最后，我们通过基于多个Bilevel优化的机器学习任务验证了我们验证的算法。

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。

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。

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.

具有多个耦合序列的随机近似（SA）在机器学习中发现了广泛的应用，例如双光线学习和增强学习（RL）。在本文中，我们研究了具有多个耦合序列的非线性SA的有限时间收敛。与现有的多时间分析不同，我们寻求方案，在这些方案中，细粒度分析可以为多序列单次尺度SA（STSA）提供严格的性能保证。我们分析的核心是在许多应用中具有多序列SA中固定点的平滑度。当所有序列都具有强烈的单调增量时，我们就建立了$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 1}）$的迭代复杂性，以实现$ \ epsilon $ -Accuracy，从而改善了现有的$ \ Mathcal {O} {O}（O}（O}）（O}（O}（O}）） \ epsilon^{ - 1.5}）$对于两个耦合序列的复杂性。当除了主序列外具有强烈单调增量时，我们建立了$ \ Mathcal {o}（\ epsilon^{ - 2}）$的迭代复杂性。我们的结果的优点在于，将它们应用于随机的二聚体和组成优化问题，以及RL问题会导致对其现有性能保证的放松假设或改进。

彼得纤维优化已广泛应用于许多重要的机器学习应用，例如普带的参数优化和元学习。最近，已经提出了几种基于动量的算法来解决贝韦尔优化问题。但是，基于SGD的算法的$ \ Mathcal {\ widetilde o}（\ epsilon ^ {-2}），那些基于势头的算法不会达到可释放的计算复杂性。在本文中，我们提出了两种用于双纤维优化的新算法，其中第一算法采用基于动量的递归迭代，第二算法采用嵌套环路中的递归梯度估计来降低方差。我们表明这两种算法都达到了$ \ mathcal {\ widetilde o}的复杂性（\ epsilon ^ { - 1.5}）$，这优于所有现有算法的级别。我们的实验验证了我们的理论结果，并展示了我们在封路数据应用程序中的算法的卓越实证性能。

We initiate a formal study of reproducibility in optimization. We define a quantitative measure of reproducibility of optimization procedures in the face of noisy or error-prone operations such as inexact or stochastic gradient computations or inexact initialization. We then analyze several convex optimization settings of interest such as smooth, non-smooth, and strongly-convex objective functions and establish tight bounds on the limits of reproducibility in each setting. Our analysis reveals a fundamental trade-off between computation and reproducibility: more computation is necessary (and sufficient) for better reproducibility.

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。

我们介绍和分析结构化的随机零订单下降（S-SZD），这是一种有限的差异方法，该方法在一组$ l \ leq d $正交方向上近似于随机梯度，其中$ d $是环境空间的维度。这些方向是随机选择的，并且可能在每个步骤中发生变化。对于平滑的凸功能，我们几乎可以确保迭代的收敛性和对$ o（d/l k^{ - c}）$的功能值的收敛速率，每$ c <1/2 $，这是任意关闭的就迭代次数而言，是随机梯度下降（SGD）。我们的界限还显示了使用$ l $多个方向而不是一个方向的好处。对于满足polyak-{\ l} ojasiewicz条件的非convex函数，我们在这种假设下建立了随机Zeroth Order Order Order算法的第一个收敛速率。我们在数值模拟中证实了我们的理论发现，在数值模拟中，满足假设以及对超参数优化的现实世界问题，观察到S-SZD具有很好的实践性能。

Two-level stochastic optimization formulations have become instrumental in a number of machine learning contexts such as continual learning, neural architecture search, adversarial learning, and hyperparameter tuning. Practical stochastic bilevel optimization problems become challenging in optimization or learning scenarios where the number of variables is high or there are constraints. In this paper, we introduce a bilevel stochastic gradient method for bilevel problems with lower-level constraints. We also present a comprehensive convergence theory that covers all inexact calculations of the adjoint gradient (also called hypergradient) and addresses both the lower-level unconstrained and constrained cases. To promote the use of bilevel optimization in large-scale learning, we introduce a practical bilevel stochastic gradient method (BSG-1) that does not require second-order derivatives and, in the lower-level unconstrained case, dismisses any system solves and matrix-vector products.

We consider minimizing the average of a very large number of smooth and possibly non-convex functions. This optimization problem has deserved much attention in the past years due to the many applications in different fields, the most challenging being training Machine Learning models. Widely used approaches for solving this problem are mini-batch gradient methods which, at each iteration, update the decision vector moving along the gradient of a mini-batch of the component functions. We consider the Incremental Gradient (IG) and the Random reshuffling (RR) methods which proceed in cycles, picking batches in a fixed order or by reshuffling the order after each epoch. Convergence properties of these schemes have been proved under different assumptions, usually quite strong. We aim to define ease-controlled modifications of the IG/RR schemes, which require a light additional computational effort and can be proved to converge under very weak and standard assumptions. In particular, we define two algorithmic schemes, monotone or non-monotone, in which the IG/RR iteration is controlled by using a watchdog rule and a derivative-free line search that activates only sporadically to guarantee convergence. The two schemes also allow controlling the updating of the stepsize used in the main IG/RR iteration, avoiding the use of preset rules. We prove convergence under the lonely assumption of Lipschitz continuity of the gradients of the component functions and perform extensive computational analysis using Deep Neural Architectures and a benchmark of datasets. We compare our implementation with both full batch gradient methods and online standard implementation of IG/RR methods, proving that the computational effort is comparable with the corresponding online methods and that the control on the learning rate may allow faster decrease.