在本文中，我们研究了模型 - 不可知的元学习（MAML）算法的泛化特性，用于监督学习问题。我们专注于我们培训MAML模型超过$ M $任务的设置，每个都有$ n $数据点，并从两个视角表征其泛化错误：首先，我们假设测试时间的新任务是其中之一培训任务，我们表明，对于强烈凸的客观函数，预期的多余人口损失是由$ {\ mathcal {o}}（1 / mn）$的界限。其次，我们考虑MAML算法的概念任务的泛化，并表明产生的泛化误差取决于新任务的底层分布与培训过程中观察到的任务之间的总变化距离。我们的校对技术依赖于算法稳定性与算法的泛化界之间的连接。特别是，我们为元学习算法提出了一种新的稳定性定义，这使我们能够捕获每项任务的任务数量的任务数量的角色$ N $对MAML的泛化误差。

We show that parametric models trained by a stochastic gradient method (SGM) with few iterations have vanishing generalization error. We prove our results by arguing that SGM is algorithmically stable in the sense of Bousquet and Elisseeff. Our analysis only employs elementary tools from convex and continuous optimization. We derive stability bounds for both convex and non-convex optimization under standard Lipschitz and smoothness assumptions.Applying our results to the convex case, we provide new insights for why multiple epochs of stochastic gradient methods generalize well in practice. In the non-convex case, we give a new interpretation of common practices in neural networks, and formally show that popular techniques for training large deep models are indeed stability-promoting. Our findings conceptually underscore the importance of reducing training time beyond its obvious benefit.

随机优化在最小化机器学习中的目标功能方面发现了广泛的应用，这激发了许多理论研究以了解其实际成功。大多数现有研究都集中在优化误差的收敛上，而随机优化的概括分析却落后了。在实践中经常遇到的非洞穴和非平滑问题的情况尤其如此。在本文中，我们初始化了对非凸和非平滑问题的随机优化的系统稳定性和概括分析。我们介绍了新型算法稳定性措施，并在人口梯度和经验梯度之间建立了定量联系，然后进一步扩展，以研究经验风险的莫罗（Moreau）膜之间的差距和人口风险的差距。据我们所知，尚未在文献中研究稳定性与概括之间的这些定量联系。我们引入了一类采样确定的算法，为此我们为三种稳定性度量而开发界限。最后，我们将这些讨论应用于随机梯度下降及其自适应变体的误差界限，我们在其中显示如何通过调整步骤大小和迭代次数来实现隐式正则化。

我们考虑用于加强学习（RL）问题的模型 - 不可知的元学习（MAML）方法，其中目标是找到使用来自Markov决策过程（MDP）表示的多个任务的策略，该方法可以由随机的一步更新实现MDP的政策梯度。特别地，在MAML更新步骤中使用随机梯度对于RL问题至关重要，因为精确梯度的计算需要访问大量可能的轨迹。对于这种制剂，我们提出了一种名为随机梯度元增强学习（SG-MRL）的MAML方法的变型，并研究其收敛性。我们派生了SG-MRL的迭代和样本复杂性，以查找$ \ epsilon $ - 据我们所知，这为模型不可知的元增强学习算法提供了第一个收敛保证。我们进一步展示了我们的结果延伸到在测试时间使用多于一个随机政策梯度方法的情况的情况。最后，我们在几个深入的RL环境中凭证比较SG-MRL和MAML。

在本文中，我们重新审视了私人经验风险最小化（DP-erm）和差异私有随机凸优化（DP-SCO）的问题。我们表明，来自统计物理学（Langevin Exfusion（LD））的经过良好研究的连续时间算法同时为DP-SCO和DP-SCO提供了最佳的隐私/实用性权衡，$ \ epsilon $ -DP和$ $ \ epsilon $ -DP和$ （\ epsilon，\ delta）$ - dp均用于凸和强烈凸损失函数。我们为LD提供新的时间和尺寸独立统一稳定性，并使用我们为$ \ epsilon $ -DP提供相应的最佳超额人口风险保证。 $ \ epsilon $ -DP的DP-SCO保证的一个重要属性是，它们将非私人最佳界限匹配为$ \ epsilon \与\ infty $。在此过程中，我们提供了各种技术工具，这些工具可能引起独立的关注：i）在两个相邻数据集上运行损失功能时，一个新的r \'enyi Divergence绑定了LD，ii）最后一个过多的经验风险范围迭代LD，类似于Shamir和Zhang的嘈杂随机梯度下降（SGD）和iii）的LD，对LD进行了两期多余的风险分析，其中第一阶段是当扩散在任何合理意义上都没有在任何合理意义上融合到固定分布时，在第二阶段扩散已收敛到吉布斯分布的变体。我们的普遍性结果至关重要地依赖于LD的动力学。当它融合到固定分布时，我们获得了$ \ epsilon $ -DP的最佳界限。当它仅在很短的时间内运行$ \ propto 1/p $时，我们在$（\ epsilon，\ delta）$ -DP下获得最佳界限。在这里，$ p $是模型空间的维度。

最近已经建立了近似稳定的学习算法的指数概括范围。但是，统一稳定性的概念是严格的，因为它是数据生成分布不变的。在稳定性的较弱和分布依赖性的概念下，例如假设稳定性和$ L_2 $稳定性，文献表明，在一般情况下，只有多项式概括界限是可能的。本文解决了这两个结果方案之间的长期紧张关系，并在融合信心的经典框架内取得了进步。为此，我们首先建立了一个预测的第一刻，通用错误限制了具有$ l_2 $稳定性的潜在随机学习算法，然后我们证明了一个正确设计的subbagagging流程会导致几乎紧密的指数概括性限制在上面数据和算法的随机性。我们将这些通用结果进一步实质性地将随机梯度下降（SGD）实现，以提高凸或非凸优化的高概率概括性范围，而自然时间衰减的学习速率则可以通过现有的假设稳定性或均匀的假设稳定性来证明这一点。基于稳定的结果。

In Federated Learning, we aim to train models across multiple computing units (users), while users can only communicate with a common central server, without exchanging their data samples. This mechanism exploits the computational power of all users and allows users to obtain a richer model as their models are trained over a larger set of data points. However, this scheme only develops a common output for all the users, and, therefore, it does not adapt the model to each user. This is an important missing feature, especially given the heterogeneity of the underlying data distribution for various users. In this paper, we study a personalized variant of the federated learning in which our goal is to find an initial shared model that current or new users can easily adapt to their local dataset by performing one or a few steps of gradient descent with respect to their own data. This approach keeps all the benefits of the federated learning architecture, and, by structure, leads to a more personalized model for each user. We show this problem can be studied within the Model-Agnostic Meta-Learning (MAML) framework. Inspired by this connection, we study a personalized variant of the well-known Federated Averaging algorithm and evaluate its performance in terms of gradient norm for non-convex loss functions. Further, we characterize how this performance is affected by the closeness of underlying distributions of user data, measured in terms of distribution distances such as Total Variation and 1-Wasserstein metric.Recently, the idea of personalization in FL and its connections with MAML has gained a lot of attention. In particular, [32] considers a formulation and algorithm similar to our paper, and elaborates

我们研究了凸面和非凸面设置的差异私有随机优化。对于凸面的情况，我们专注于非平滑通用线性损耗（GLL）的家庭。我们的$ \ ell_2 $ setting算法在近线性时间内实现了最佳的人口风险，而最知名的差异私有算法在超线性时间内运行。我们的$ \ ell_1 $ setting的算法具有近乎最佳的人口风险$ \ tilde {o} \ big（\ sqrt {\ frac {\ log {n \ log {d}} {n \ varepsilon} \ big）$，以及避免\ Cite {ASI：2021}的尺寸依赖性下限为一般非平滑凸损耗。在差别私有的非凸面设置中，我们提供了几种新算法，用于近似居住的人口风险。对于具有平稳损失和多面体约束的$ \ ell_1 $ tuce，我们提供第一个近乎尺寸的独立速率$ \ tilde o \ big（\ frac {\ log ^ {2/3} {d}} {{（n \ varepsilon）^ {1/3}}} \大）在线性时间。对于具有平滑损耗的约束$ \ ell_2 $ -case，我们获得了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/3}} + \ frac {d ^ { 1/5}} {（n \ varepsilon）^ {2/5}} \ big）$。最后，对于$ \ ell_2 $ -case，我们为{\ em非平滑弱凸}的第一种方法提供了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/4}} + \ FRAC {D ^ {1/6}} {（n \ varepsilon）^ {1/3}} \ big）$，它在$ d = o（\ sqrt {n}）时匹配最好的现有非私有算法$。我们还将上面的所有结果扩展到Non-Convex $ \ ell_2 $ setting到$ \ ell_p $ setting，其中$ 1 <p \ leq 2 $，只有polylogarithmic（维度在尺寸）的速度下。

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。

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。

在本文中，我们提出了一种针对SGD轨迹的新覆盖技术。该定位提供了一种算法特异性的复杂性，该复杂性通过覆盖数来衡量，与标准均匀覆盖的参数相比，该范围独立于维度的基数，从而导致指数尺寸依赖性。基于这种本地化结构，我们表明，如果目标函数是分段的有限扰动，则用$ p $零件强烈凸出和光滑的功能，即非convex和非平滑词，则概括性误差可以由上限。 $ o（\ sqrt {（\ log n \ log（np））/n}）$，其中$ n $是数据示例的数量。特别是，此速率与维度无关，并且不需要尽早停止和衰减的步骤。最后，我们在各种环境中采用这些结果，并为多级线性模型，多级支持向量机和$ k $ - 均值聚类用于硬和软标签设置，并改善已知的最先进的范围，从而改善了已知的最先进的， - 阿尔特费率。

我们研究随机梯度下降（SGD）在多大程度上被理解为“常规”学习规则，该规则通过获得良好的培训数据来实现概括性能。我们考虑基本的随机凸优化框架，其中（一通道，无需替代）SGD在经典上是众所周知的，可以最大程度地降低人口风险，以$ o（1/\ sqrt n）$ $ O（1/\ sqrt n）$，并且出人意料地证明，存在问题实例SGD解决方案既表现出$ \ omega（1）$的经验风险和概括差距。因此，事实证明，从任何意义上讲，SGD在算法上都不是稳定的，并且其概括能力不能通过均匀的收敛性或任何其他当前已知的概括性结合技术来解释（除了其经典分析外）。然后，我们继续分析与替代SGD密切相关的相关性，为此我们表明不会发生类似现象，并证明其人口风险实际上确实以最佳速度融合。最后，我们在没有替换SGD的背景下解释了我们的主要结果，用于有限的和凸优化问题，并得出多上类别制度的上限和下限，从而在先前已知的结果上有了显着改善。

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 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.

我们研究了私人（DP）随机优化（SO），其中包含非Lipschitz连续的离群值和损失函数的数据。迄今为止，DP上的绝大多数工作，因此假设损失是Lipschitz（即随机梯度均匀边界），并且它们的误差界限与损失的Lipschitz参数。尽管此假设很方便，但通常是不现实的：在需要隐私的许多实际问题中，数据可能包含异常值或无限制，导致某些随机梯度具有较大的规范。在这种情况下，Lipschitz参数可能过于较大，从而导致空虚的多余风险范围。因此，在最近的工作[WXDX20，KLZ22]上，我们做出了较弱的假设，即随机梯度已经限制了$ k $ - them-th Moments for Boy $ k \ geq 2 $。与DP Lipschitz上的作品相比，我们的多余风险量表与$ k $ 3的时刻限制，而不是损失的Lipschitz参数，从而在存在异常值的情况下允许速度明显更快。对于凸面和强烈凸出损失函数，我们提供了第一个渐近最佳的过量风险范围（最多可对数因素）。此外，与先前的作品[WXDX20，KLZ22]相反，我们的边界不需要损失函数是可区分的/平滑的。我们还设计了一种加速算法，该算法在线性时间内运行并提高了（与先前的工作相比），并且几乎最佳的过量风险因平滑损失而产生。此外，我们的工作是第一个解决非convex non-lipschitz损失功能的工作，以满足近端不平等现象。这涵盖了一些类别的神经网，以及其他实用模型。我们的近端PL算法几乎具有最佳的多余风险，几乎与强凸的下限相匹配。最后，我们提供了算法的洗牌DP变化，这些变化不需要受信任的策展人（例如，用于分布式学习）。

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。

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。

尽管已经取得了重大的理论进步，但揭示了过度参数化神经网络的概括之谜仍然难以捉摸。在本文中，我们通过利用算法稳定性的概念来研究浅神经网络（SNN）的概括行为。我们考虑梯度下降（GD）和随机梯度下降（SGD）来训练SNN，因为这两者都通过通过早期停止来平衡优化和概括来发展一致的多余风险范围。与现有的GD分析相比，我们的新分析需要放松的过度参数化假设，并且还适用于SGD。改进的关键是更好地估计经验风险的Hessian矩阵的最小特征值，以及通过提供对其迭代材料的精制估计，沿GD和SGD的轨迹沿GD和SGD的轨迹进行了更好的估计。

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。

我们为梯度下降提供了收敛分析，以解决高斯分布中不可知的问题。与研究零偏差的设置的先前工作不同，我们考虑了当relu函数的偏见非零时更具挑战性的情况。我们的主要结果确定，从随机初始化开始，从多项式迭代梯度下降输出中，具有很高的概率，与最佳relu函数的误差相比，可以实现竞争错误保证。我们还提供有限的样本保证，这些技术将其推广到高斯以外的更广泛的边际分布。