在这项工作中，我们研究了联合学习框架内的经验风险最小化（ERM），其中，中央服务器使用存储在$ M $客户端的培训数据最小化ERM目标函数。在此设置中，联合平均（Fedave）算法是用于确定$ \ epsilon $-uppations解决的钉钉。类似于标准优化算法，FEDAVE的收敛分析仅依赖于优化参数中的损耗功能的平滑度。但是，损失函数通常在训练数据中通常非常顺利。为了利用这种额外的平滑度，我们提出了联邦低级梯度下降（FEDLRGD）算法。由于数据的平滑度引起损耗函数上的近似低等级结构，因此我们的方法首先在服务器和客户端之间执行几轮通信，以便学习服务器可以用于近似客户端梯度的权重。然后，我们的方法使用不精确的渐变下降来解决服务器处的ERM问题。为了表明FedLRGD可以对Fedave具有卓越的性能，我们向Cenferated Oracle复杂性概念作为规范Oracle复杂性的对应物。在损失函数的一些假设下，例如，参数中的强凸，$ \ eta $ -h \“数据中的较旧的平滑度等，我们证明了Fedlrgd尺度的联邦Oracle复杂性，如$ \ phi m（p / \ epsilon）^ {\ theta（d / \ eta）} $和fedave尺度如$ \ phi m（p / \ epsilon）^ {3/4} $（忽略次级主导因子），其中$ \ phi \ GG 1 $是一种“通信到计算率”，$ P $ IS参数维度，$ D $是数据维度。然后，我们显示，当$ D $小而损失函数足够平滑时DATA，FEDLRGD在联合Oracle复杂性中击败了Fedave。最后，在分析FEDLRGD的过程中，我们还在潜在变量模型的低秩近似建立了结果。

最近的一些实证研究表明，重要的机器学习任务，例如训练深神网络，表现出低级别的结构，其中损耗函数仅在输入空间的几个方向上差异很大。在本文中，我们利用这种低级结构来降低基于规范梯度的方法（例如梯度下降（GD））的高计算成本。我们提出的\ emph {低率梯度下降}（lrgd）算法找到了$ \ epsilon $ - approximate的固定点$ p $ - 维功能，首先要识别$ r \ r \ leq p $重要的方向，然后估算真实的方向每次迭代的$ p $维梯度仅通过计算$ r $方向来计算定向衍生物。我们确定强烈凸和非convex目标函数的LRGD的“定向甲骨文复杂性”是$ \ Mathcal {o}（r \ log（1/\ epsilon） + rp） + rp）$ and $ \ Mathcal {o}（R /\ epsilon^2 + rp）$。当$ r \ ll p $时，这些复杂性小于$ \ mathcal {o}的已知复杂性（p \ log（1/\ epsilon））$和$ \ mathcal {o}（p/\ epsilon^2） {\ gd}的$分别在强凸和非凸口设置中。因此，LRGD显着降低了基于梯度的方法的计算成本，以实现足够低级别的功能。在分析过程中，我们还正式定义和表征精确且近似级别函数的类别。

我们展示了一个联合学习框架，旨在强大地提供具有异构数据的各个客户端的良好预测性能。所提出的方法对基于SuperQualile的学习目标铰接，捕获异构客户端的误差分布的尾统计。我们提出了一种随机训练算法，其与联合平均步骤交织差异私人客户重新重量步骤。该提出的算法支持有限时间收敛保证，保证覆盖凸和非凸面设置。关于联邦学习的基准数据集的实验结果表明，我们的方法在平均误差方面与古典误差竞争，并且在误差的尾统计方面优于它们。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.

古典统计学习理论表示，拟合太多参数导致过度舒服和性能差。尽管大量参数矛盾，但是现代深度神经网络概括了这一发现，并构成了解释深度学习成功的主要未解决的问题。随机梯度下降（SGD）引起的隐式正规被认为是重要的，但其特定原则仍然是未知的。在这项工作中，我们研究了当地最小值周围的能量景观的局部几何学如何影响SGD的统计特性，具有高斯梯度噪声。我们争辩说，在合理的假设下，局部几何形状力强制SGD保持接近低维子空间，这会引起隐式正则化并导致深神经网络的泛化误差界定更严格的界限。为了获得神经网络的泛化误差界限，我们首先引入局部最小值周围的停滞迹象，并施加人口风险的局部基本凸性财产。在这些条件下，推导出SGD的下界，以保留在这些停滞套件中。如果发生停滞，我们会导出涉及权重矩阵的光谱规范的深神经网络的泛化误差的界限，但不是网络参数的数量。从技术上讲，我们的证据基于控制SGD中的参数值的变化以及基于局部最小值周围的合适邻域的熵迭代的参数值和局部均匀收敛。我们的工作试图通过统一收敛更好地连接非凸优化和泛化分析。

Federated learning is a distributed framework according to which a model is trained over a set of devices, while keeping data localized. This framework faces several systemsoriented challenges which include (i) communication bottleneck since a large number of devices upload their local updates to a parameter server, and (ii) scalability as the federated network consists of millions of devices. Due to these systems challenges as well as issues related to statistical heterogeneity of data and privacy concerns, designing a provably efficient federated learning method is of significant importance yet it remains challenging. In this paper, we present FedPAQ, a communication-efficient Federated Learning method with Periodic Averaging and Quantization. FedPAQ relies on three key features: (1) periodic averaging where models are updated locally at devices and only periodically averaged at the server; (2) partial device participation where only a fraction of devices participate in each round of the training; and (3) quantized messagepassing where the edge nodes quantize their updates before uploading to the parameter server. These features address the communications and scalability challenges in federated learning. We also show that FedPAQ achieves near-optimal theoretical guarantees for strongly convex and non-convex loss functions and empirically demonstrate the communication-computation tradeoff provided by our method.

Federated Averaging (FEDAVG) has emerged as the algorithm of choice for federated learning due to its simplicity and low communication cost. However, in spite of recent research efforts, its performance is not fully understood. We obtain tight convergence rates for FEDAVG and prove that it suffers from 'client-drift' when the data is heterogeneous (non-iid), resulting in unstable and slow convergence.As a solution, we propose a new algorithm (SCAFFOLD) which uses control variates (variance reduction) to correct for the 'client-drift' in its local updates. We prove that SCAFFOLD requires significantly fewer communication rounds and is not affected by data heterogeneity or client sampling. Further, we show that (for quadratics) SCAFFOLD can take advantage of similarity in the client's data yielding even faster convergence. The latter is the first result to quantify the usefulness of local-steps in distributed optimization.

在负面的感知问题中，我们给出了$ n $数据点$（{\ boldsymbol x} _i，y_i）$，其中$ {\ boldsymbol x} _i $是$ d $ -densional vector和$ y_i \ in \ { + 1，-1 \} $是二进制标签。数据不是线性可分离的，因此我们满足自己的内容，以找到最大的线性分类器，具有最大的\ emph {否定}余量。换句话说，我们想找到一个单位常规矢量$ {\ boldsymbol \ theta} $，最大化$ \ min_ {i \ le n} y_i \ langle {\ boldsymbol \ theta}，{\ boldsymbol x} _i \ rangle $ 。这是一个非凸优化问题（它相当于在Polytope中找到最大标准矢量），我们在两个随机模型下研究其典型属性。我们考虑比例渐近，其中$ n，d \ to \ idty $以$ n / d \ to \ delta $，并在最大边缘$ \ kappa _ {\ text {s}}（\ delta）上证明了上限和下限）$或 - 等效 - 在其逆函数$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$。换句话说，$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$是overparametization阈值：以$ n / d \ le \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa） - \ varepsilon $一个分类器实现了消失的训练错误，具有高概率，而以$ n / d \ ge \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）+ \ varepsilon $。我们在$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$匹配，以$ \ kappa \ to - \ idty $匹配。然后，我们分析了线性编程算法来查找解决方案，并表征相应的阈值$ \ delta _ {\ text {lin}}（\ kappa）$。我们观察插值阈值$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$和线性编程阈值$ \ delta _ {\ text {lin {lin}}（\ kappa）$之间的差距，提出了行为的问题其他算法。

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 introduce a new tool for stochastic convex optimization (SCO): a Reweighted Stochastic Query (ReSQue) estimator for the gradient of a function convolved with a (Gaussian) probability density. Combining ReSQue with recent advances in ball oracle acceleration [CJJJLST20, ACJJS21], we develop algorithms achieving state-of-the-art complexities for SCO in parallel and private settings. For a SCO objective constrained to the unit ball in $\mathbb{R}^d$, we obtain the following results (up to polylogarithmic factors). We give a parallel algorithm obtaining optimization error $\epsilon_{\text{opt}}$ with $d^{1/3}\epsilon_{\text{opt}}^{-2/3}$ gradient oracle query depth and $d^{1/3}\epsilon_{\text{opt}}^{-2/3} + \epsilon_{\text{opt}}^{-2}$ gradient queries in total, assuming access to a bounded-variance stochastic gradient estimator. For $\epsilon_{\text{opt}} \in [d^{-1}, d^{-1/4}]$, our algorithm matches the state-of-the-art oracle depth of [BJLLS19] while maintaining the optimal total work of stochastic gradient descent. We give an $(\epsilon_{\text{dp}}, \delta)$-differentially private algorithm which, given $n$ samples of Lipschitz loss functions, obtains near-optimal optimization error and makes $\min(n, n^2\epsilon_{\text{dp}}^2 d^{-1}) + \min(n^{4/3}\epsilon_{\text{dp}}^{1/3}, (nd)^{2/3}\epsilon_{\text{dp}}^{-1})$ queries to the gradients of these functions. In the regime $d \le n \epsilon_{\text{dp}}^{2}$, where privacy comes at no cost in terms of the optimal loss up to constants, our algorithm uses $n + (nd)^{2/3}\epsilon_{\text{dp}}^{-1}$ queries and improves recent advancements of [KLL21, AFKT21]. In the moderately low-dimensional setting $d \le \sqrt n \epsilon_{\text{dp}}^{3/2}$, our query complexity is near-linear.

联合学习（FL）是在分布式的数据上进行的有希望的隐私机器学习范式。在FL中，每个用户在本地保存数据。这样可以保护用户隐私，但也使服务器难以验证数据质量，尤其是在正确标记数据的情况下。用损坏的标签培训对联邦学习任务有害；但是，在标签噪声的情况下，很少关注FL。在本文中，我们专注于这个问题，并提出一种基于学习的重新加权方法，以减轻FL中嘈杂标签的效果。更确切地说，我们为每个训练样本调整了一个重量，以使学习模型在验证集上具有最佳的概括性能。更正式的是，该过程可以作为联合双层优化问题进行配合。二重优化问题是一种优化问题，具有两个纠缠问题的级别。非分布的二聚体问题最近通过新的有效算法见证了显着的进展。但是，解决联合学习设置下的二杆优化问题的研究不足。我们确定高级评估中的高沟通成本是主要的瓶颈。因此，我们建议\ textit {comm-fedbio}解决一般联合的双杆优化问题；更具体地说，我们提出了两个沟通效率的子例程，以估计高级别。还提供了所提出算法的收敛分析。最后，我们应用提出的算法来解决嘈杂的标签问题。与各种基线相比，我们的方法在几个现实世界数据集上表现出了出色的性能。

机器学习已开始在许多应用中发挥核心作用。这些应用程序中的许多应用程序通常还涉及由于设计约束（例如多元系统）或计算/隐私原因（例如，在智能手机数据上学习），这些数据集分布在多个计算设备/机器上。这样的应用程序通常需要以分散的方式执行学习任务，其中没有直接连接到所有节点的中央服务器。在现实世界中的分散设置中，由于设备故障，网络攻击等，节点容易出现未发现的故障，这可能会崩溃非稳固的学习算法。本文的重点是在发生拜占庭失败的节点的存在下对分散学习的鲁棒化。拜占庭故障模型允许故障节点任意偏离其预期行为，从而确保设计最健壮的算法的设计。但是，与分布式学习相反，对分散学习中拜占庭式的弹性的研究仍处于起步阶段。特别是，现有的拜占庭式分散学习方法要么不能很好地扩展到大规模的机器学习模型，要么缺乏统计收敛性可确保有助于表征其概括错误。在本文中，引入了一个可扩展的，拜占庭式的分散的机器学习框架，称为拜占庭的分散梯度下降（桥梁）。本文中还提供了强烈凸出问题和一类非凸问题的算法和统计收敛保证。此外，使用大规模的分散学习实验来确定桥梁框架是可扩展的，并且为拜占庭式弹性凸和非convex学习提供了竞争结果。

In large-scale distributed learning, security issues have become increasingly important. Particularly in a decentralized environment, some computing units may behave abnormally, or even exhibit Byzantine failures-arbitrary and potentially adversarial behavior. In this paper, we develop distributed learning algorithms that are provably robust against such failures, with a focus on achieving optimal statistical performance. A main result of this work is a sharp analysis of two robust distributed gradient descent algorithms based on median and trimmed mean operations, respectively. We prove statistical error rates for three kinds of population loss functions: strongly convex, nonstrongly convex, and smooth non-convex. In particular, these algorithms are shown to achieve order-optimal statistical error rates for strongly convex losses. To achieve better communication efficiency, we further propose a median-based distributed algorithm that is provably robust, and uses only one communication round. For strongly convex quadratic loss, we show that this algorithm achieves the same optimal error rate as the robust distributed gradient descent algorithms.

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

联邦学习（FL）是一种越来越受欢迎的机器学习范式，其中多个节点在隐私，通信和多个异质性约束下尝试协同学习。联邦学习中的持续存在问题是，不清楚优化目标应该：监督学习的标准平均风险最小化在处理联合学习的几个主要限制方面是不充分的，例如沟通适应性和个性化控制。我们在联合学习的框架中识别几个关键的Desiderata，并介绍了一个新的框架，Flix，考虑到联合学习所带来的独特挑战。 Flix具有标准的有限和形式，使从业者能够利用分布式优化的现有（潜在非本地）方法的巨大财富。通过不需要任何通信的智能初始化，Flix不需要使用本地步骤，但仍然可以通过本地方法执行不一致的正则化。我们提供了几种用于在通信约束下有效解决FLIX制剂的算法。最后，我们通过广泛的实验证实了我们的理论结果。

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。

我们提出了一种基于优化的基于优化的框架，用于计算差异私有M估算器以及构建差分私立置信区的新方法。首先，我们表明稳健的统计数据可以与嘈杂的梯度下降或嘈杂的牛顿方法结合使用，以便分别获得具有全局线性或二次收敛的最佳私人估算。我们在局部强大的凸起和自我协调下建立当地和全球融合保障，表明我们的私人估算变为对非私人M估计的几乎最佳附近的高概率。其次，我们通过构建我们私有M估计的渐近方差的差异私有估算来解决参数化推断的问题。这自然导致近​​似枢轴统计，用于构建置信区并进行假设检测。我们展示了偏置校正的有效性，以提高模拟中的小样本实证性能。我们说明了我们在若干数值例子中的方法的好处。

随机多变最小化 - 最小化（SMM）是大多数变化最小化的经典原则的在线延伸，这包括采样I.I.D。来自固定数据分布的数据点，并最小化递归定义的主函数的主要替代。在本文中，我们引入了随机块大大化 - 最小化，其中替代品现在只能块多凸，在半径递减内的时间优化单个块。在SMM中的代理人放松标准的强大凸起要求，我们的框架在内提供了更广泛的适用性，包括在线CANDECOMP / PARAFAC（CP）字典学习，并且尤其是当问题尺寸大时产生更大的计算效率。我们对所提出的算法提供广泛的收敛性分析，我们在可能的数据流下派生，放松标准i.i.d。对数据样本的假设。我们表明，所提出的算法几乎肯定会收敛于速率$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$的约束下的非凸起物镜的静止点集合。实证丢失函数和$ O（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/4}）$的预期丢失函数，其中$ n $表示处理的数据样本数。在一些额外的假设下，后一趋同率可以提高到$ o（（\ log n）^ {1+ \ eps} / n ^ {1/2}）$。我们的结果为一般马尔维亚数据设置提供了各种在线矩阵和张量分解算法的第一融合率界限。

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。