以良好的样本外观的方式设计用于机器学习和决策的数据驱动配方是一个关键挑战。良好的样本性能并不能保证良好的样本外部性能通常被称为过度拟合的观察结果。实际过度拟合通常不能归因于一个原因，而是一次由几个因素引起的。我们在这里考虑三个过度拟合来源：（i）使用有限样本数据的统计误差，（ii）仅在数据点仅以有限的精度测量数据点时发生的数据噪声，最后（iii）数据错误指定，其中a误解所有数据中的一小部分可能会完全损坏。我们认为，尽管现有的数据驱动的配方可能会孤立地对这三个来源之一，但它们并不能同时对所有过度拟合来源提供全面的保护。我们设计了一种新型的数据驱动公式，它确实可以保证这种整体保护，并且在计算上也可行。我们的分布在强大的优化配方中可以解释为kullback-leibler和Levy-Prokhorov强大优化配方的新型组合。最后，我们展示了在分类和回归问题的背景下，几种受欢迎的正则化和健壮的配方如何减少到我们提出的更通用的配方的特定情况下。

我们研究只有历史数据时设计最佳学习和决策制定公式的问题。先前的工作通常承诺要进行特定的数据驱动配方，并随后尝试建立样本外的性能保证。我们以相反的方式采取了相反的方法。我们首先定义一个明智的院子棒，以测量任何数据驱动的公式的质量，然后寻求找到最佳的这种配方。在非正式的情况下，可以看到任何数据驱动的公式可以平衡估计成本与实际成本的接近度的量度，同时保证了样本外的性能水平。考虑到可接受的样本外部性能水平，我们明确地构建了一个数据驱动的配方，该配方比任何其他享有相同样本外部性能的其他配方都更接近真实成本。我们展示了三种不同的样本外绩效制度（超大型制度，指数状态和次指数制度）之间存在，最佳数据驱动配方的性质会经历相变的性质。最佳数据驱动的公式可以解释为超级稳定的公式，在指数方面是一种熵分布在熵上稳健的公式，最后是次指数制度中的方差惩罚公式。这个最终的观察揭示了这三个观察之间的令人惊讶的联系，乍一看似乎是无关的，数据驱动的配方，直到现在仍然隐藏了。

We study distributionally robust optimization (DRO) with Sinkhorn distance -- a variant of Wasserstein distance based on entropic regularization. We provide convex programming dual reformulation for a general nominal distribution. Compared with Wasserstein DRO, it is computationally tractable for a larger class of loss functions, and its worst-case distribution is more reasonable. We propose an efficient first-order algorithm with bisection search to solve the dual reformulation. We demonstrate that our proposed algorithm finds $\delta$-optimal solution of the new DRO formulation with computation cost $\tilde{O}(\delta^{-3})$ and memory cost $\tilde{O}(\delta^{-2})$, and the computation cost further improves to $\tilde{O}(\delta^{-2})$ when the loss function is smooth. Finally, we provide various numerical examples using both synthetic and real data to demonstrate its competitive performance and light computational speed.

我们研究了基于分布强大的机会约束的对抗性分类模型。我们表明，在Wasserstein模糊性下，该模型旨在最大限度地减少距离分类距离的条件值 - 风险，并且我们探讨了前面提出的对抗性分类模型和最大限度的分类机的链接。我们还提供了用于线性分类的分布鲁棒模型的重构，并且表明它相当于最小化正则化斜坡损失目标。数值实验表明，尽管这种配方的非凸起，但是标准的下降方法似乎会聚到全球最小值器。灵感来自这种观察，我们表明，对于某一类分布，正则化斜坡损失最小化问题的唯一静止点是全球最小化器。

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。

我们提出了一个数据驱动的投资组合选择模型，该模型使用分布稳健优化的框架来整合侧面信息，条件估计和鲁棒性。投资组合经理在观察到的侧面信息上进行条件解决了一个分配问题，该问题可最大程度地减少最坏情况下的风险回收权衡权衡，但要受到最佳运输歧义集中协变量返回概率分布的所有可能扰动。尽管目标函数在概率措施中的非线性性质非线性，但我们表明，具有侧面信息问题的分布稳健的投资组合分配可以作为有限维优化问题进行重新纠正。如果基于均值变化或均值的风险标准做出投资组合的决策，则可以进一步简化所得的重新制定为二阶或半明确锥体程序。美国股票市场的实证研究证明了我们对其他基准的综合框架的优势。

Wasserstein的分布在强大的优化方面已成为强大估计的有力框架，享受良好的样本外部性能保证，良好的正则化效果以及计算上可易处理的双重重新纠正。在这样的框架中，通过将最接近经验分布的所有概率分布中最接近的所有概率分布中最小化的最差预期损失来最大程度地减少估计量。在本文中，我们提出了一个在噪声线性测量中估算未知参数的Wasserstein分布稳定的M估计框架，我们专注于分析此类估计器的平方误差性能的重要且具有挑战性的任务。我们的研究是在现代的高维比例状态下进行的，在该状态下，环境维度和样品数量都以相对的速度进行编码，该速率以编码问题的下/过度参数化的比例。在各向同性高斯特征假设下，我们表明可以恢复平方误差作为凸 - 串联优化问题的解，令人惊讶的是，它在最多四个标量变量中都涉及。据我们所知，这是在Wasserstein分布强劲的M估计背景下研究此问题的第一项工作。

使用历史观察数据的政策学习是发现广泛应用程序的重要问题。示例包括选择优惠，价格，要发送给客户的广告，以及选择要开出患者的药物。但是，现有的文献取决于这样一个关键假设，即将在未来部署学习策略的未来环境与生成数据的过去环境相同 - 这个假设通常是错误或太粗糙的近似值。在本文中，我们提高了这一假设，并旨在通过不完整的观察数据来学习一项稳健的策略。我们首先提出了一个政策评估程序，该程序使我们能够评估政策在最坏情况下的转变下的表现。然后，我们为此建议的政策评估计划建立了中心限制定理类型保证。利用这种评估方案，我们进一步提出了一种新颖的学习算法，该算法能够学习一项对对抗性扰动和未知协变量转移的策略，并根据统一收敛理论的性能保证进行了绩效保证。最后，我们从经验上测试了合成数据集中提出的算法的有效性，并证明它提供了使用标准策略学习算法缺失的鲁棒性。我们通过在现实世界投票数据集的背景下提供了我们方法的全面应用来结束本文。

成功的深度学习模型往往涉及培训具有比训练样本数量更多的参数的神经网络架构。近年来已经广泛研究了这种超分子化的模型，并且通过双下降现象和通过优化景观的结构特性，从统计的角度和计算视角都建立了过分统计化的优点。尽管在过上分层的制度中深入学习架构的显着成功，但也众所周知，这些模型对其投入中的小对抗扰动感到高度脆弱。即使在普遍培训的情况下，它们在扰动输入（鲁棒泛化）上的性能也会比良性输入（标准概括）的最佳可达到的性能更糟糕。因此，必须了解如何从根本上影响稳健性的情况下如何影响鲁棒性。在本文中，我们将通过专注于随机特征回归模型（具有随机第一层权重的两层神经网络）来提供超分度化对鲁棒性的作用的精确表征。我们考虑一个制度，其中样本量，输入维度和参数的数量彼此成比例地生长，并且当模型发生前列地训练时，可以为鲁棒泛化误差导出渐近精确的公式。我们的发达理论揭示了过分统计化对鲁棒性的非竞争效果，表明对于普遍训练的随机特征模型，高度公正化可能会损害鲁棒泛化。

由于在数据稀缺的设置中，交叉验证的性能不佳，我们提出了一个新颖的估计器，以估计数据驱动的优化策略的样本外部性能。我们的方法利用优化问题的灵敏度分析来估计梯度关于数据中噪声量的最佳客观值，并利用估计的梯度将策略的样本中的表现为依据。与交叉验证技术不同，我们的方法避免了为测试集牺牲数据，在训练和因此非常适合数据稀缺的设置时使用所有数据。我们证明了我们估计量的偏见和方差范围，这些问题与不确定的线性目标优化问题，但已知的，可能是非凸的，可行的区域。对于更专业的优化问题，从某种意义上说，可行区域“弱耦合”，我们证明结果更强。具体而言，我们在估算器的错误上提供明确的高概率界限，该估计器在策略类别上均匀地保持，并取决于问题的维度和策略类的复杂性。我们的边界表明，在轻度条件下，随着优化问题的尺寸的增长，我们的估计器的误差也会消失，即使可用数据的量仍然很小且恒定。说不同的是，我们证明我们的估计量在小型数据中的大规模政权中表现良好。最后，我们通过数值将我们提出的方法与最先进的方法进行比较，通过使用真实数据调度紧急医疗响应服务的案例研究。我们的方法提供了更准确的样本外部性能估计，并学习了表现更好的政策。

尽管现代的大规模数据集通常由异质亚群（例如，多个人口统计组或多个文本语料库）组成 - 最小化平均损失的标准实践并不能保证所有亚人群中均匀的低损失。我们提出了一个凸面程序，该过程控制给定尺寸的所有亚群中最差的表现。我们的程序包括有限样本（非参数）收敛的保证，可以保证最坏的亚群。从经验上讲，我们观察到词汇相似性，葡萄酒质量和累犯预测任务，我们最糟糕的程序学习了对不看到看不见的亚人群的模型。

我们研究了称为“乐观速率”（Panchenko 2002; Srebro等，2010）的统一收敛概念，用于与高斯数据的线性回归。我们的精致分析避免了现有结果中的隐藏常量和对数因子，这已知在高维设置中至关重要，特别是用于了解插值学习。作为一个特殊情况，我们的分析恢复了Koehler等人的保证。（2021年），在良性过度的过度条件下，严格地表征了低规范内插器的人口风险。但是，我们的乐观速度绑定还分析了具有任意训练错误的预测因子。这使我们能够在随机设计下恢复脊和套索回归的一些经典统计保障，并有助于我们在过度参数化制度中获得精确了解近端器的过度风险。

Wassersein距离，植根于最佳运输（OT）理论，是在统计和机器学习的各种应用程序之间的概率分布之间的流行差异测量。尽管其结构丰富，但效用，但Wasserstein距离对所考虑的分布中的异常值敏感，在实践中阻碍了适用性。灵感来自Huber污染模型，我们提出了一种新的异常值 - 强大的Wasserstein距离$ \ mathsf {w} _p ^ \ varepsilon $，它允许从每个受污染的分布中删除$ \ varepsilon $异常块。与以前考虑的框架相比，我们的配方达到了高度定期的优化问题，使其更好地分析。利用这一点，我们对$ \ mathsf {w} _p ^ \ varepsilon $的彻底理论研究，包括最佳扰动，规律性，二元性和统计估算和鲁棒性结果的表征。特别是，通过解耦优化变量，我们以$ \ mathsf {w} _p ^ \ varepsilon $到达一个简单的双重形式，可以通过基于标准的基于二元性的OT响音器的基本修改来实现。我们通过应用程序来说明我们的框架的好处，以与受污染的数据集进行生成建模。

We study a family of adversarial multiclass classification problems and provide equivalent reformulations in terms of: 1) a family of generalized barycenter problems introduced in the paper and 2) a family of multimarginal optimal transport problems where the number of marginals is equal to the number of classes in the original classification problem. These new theoretical results reveal a rich geometric structure of adversarial learning problems in multiclass classification and extend recent results restricted to the binary classification setting. A direct computational implication of our results is that by solving either the barycenter problem and its dual, or the MOT problem and its dual, we can recover the optimal robust classification rule and the optimal adversarial strategy for the original adversarial problem. Examples with synthetic and real data illustrate our results.

在这项工作中，我们研究了数据驱动的决策，并偏离了经典的相同和独立分布（I.I.D.）假设。我们提出了一个新的框架，其中我们将历史样本从未知和不同的分布中产生，我们将其配置为异质环境。假定这些分布位于具有已知半径的异质球中，并围绕（也是）未知的未来（样本外）分布，将评估决策的表现。我们量化了中央数据驱动的策略（例如样本平均近似值，也可以通过速率优势）来量化的渐近性最坏案例遗憾，这是异质性球半径的函数。我们的工作表明，在问题类别和异质性概念的不同组合中，可实现的性能类型的变化很大。我们通过比较广泛研究的数据驱动问题（例如定价，滑雪租赁和新闻顾问）的异质版本来证明框架的多功能性。在途中，我们在数据驱动的决策和分配强大的优化之间建立了新的联系。

Empirical risk minimization (ERM) and distributionally robust optimization (DRO) are popular approaches for solving stochastic optimization problems that appear in operations management and machine learning. Existing generalization error bounds for these methods depend on either the complexity of the cost function or dimension of the uncertain parameters; consequently, the performance of these methods is poor for high-dimensional problems with objective functions under high complexity. We propose a simple approach in which the distribution of uncertain parameters is approximated using a parametric family of distributions. This mitigates both sources of complexity; however, it introduces a model misspecification error. We show that this new source of error can be controlled by suitable DRO formulations. Our proposed parametric DRO approach has significantly improved generalization bounds over existing ERM / DRO methods and parametric ERM for a wide variety of settings. Our method is particularly effective under distribution shifts. We also illustrate the superior performance of our approach on both synthetic and real-data portfolio optimization and regression tasks.

许多实际优化问题涉及不确定的参数，这些参数具有概率分布，可以使用上下文特征信息来估算。与首先估计不确定参数的分布然后基于估计优化目标的标准方法相反，我们提出了一个\ textIt {集成条件估计 - 优化}（ICEO）框架，该框架估计了随机参数的潜在条件分布同时考虑优化问题的结构。我们将随机参数的条件分布与上下文特征之间的关系直接建模，然后以与下游优化问题对齐的目标估算概率模型。我们表明，我们的ICEO方法在适度的规律性条件下渐近一致，并以概括范围的形式提供有限的性能保证。在计算上，使用ICEO方法执行估计是一种非凸面且通常是非差异的优化问题。我们提出了一种通用方法，用于近似从估计的条件分布到通过可区分函数的最佳决策的潜在非差异映射，这极大地改善了应用于非凸问题的基于梯度的算法的性能。我们还提供了半代理案例中的多项式优化解决方案方法。还进行了数值实验，以显示我们在不同情况下的方法的经验成功，包括数据样本和模型不匹配。

当在未知约束集中任意变化的分布中生成数据时，我们会考虑使用专家建议的预测。这种半反向的设置包括（在极端）经典的I.I.D.设置时，当未知约束集限制为单身人士时，当约束集是所有分布的集合时，不受约束的对抗设置。对冲状态中，对冲算法（长期以来已知是最佳的最佳速率（速率））最近被证明是对I.I.D.的最佳最小值。数据。在这项工作中，我们建议放松I.I.D.通过在约束集的所有自然顺序上寻求适应性来假设。我们在各个级别的Minimax遗憾中提供匹配的上限和下限，表明确定性学习率的对冲在极端之外是次优的，并证明人们可以在各个级别的各个层面上都能适应Minimax的遗憾。我们使用以下规范化领导者（FTRL）框架实现了这种最佳适应性，并采用了一种新型的自适应正则化方案，该方案隐含地缩放为当前预测分布的熵的平方根，而不是初始预测分布的熵。最后，我们提供了新的技术工具来研究FTRL沿半逆转频谱的统计性能。

我们考虑一个一般的在线随机优化问题，在有限时间段的视野中具有多个预算限制。在每个时间段内，都会揭示奖励功能和多个成本功能，并且决策者需要从凸面和紧凑型措施中指定行动，以收集奖励并消耗预算。每个成本函数对应于一个预算的消费。在每个时期，奖励和成本函数都是从未知分布中得出的，该分布在整个时间内都是非平稳的。决策者的目的是最大化受预算限制的累积奖励。该配方捕获了广泛的应用程序，包括在线线性编程和网络收入管理等。在本文中，我们考虑了两个设置：（i）一个数据驱动的设置，其中真实分布未知，但可以提供先前的估计（可能不准确）； （ii）一个不信息的环境，其中真实分布是完全未知的。我们提出了一项基于统一的浪费距离措施，以量化设置（i）中先验估计值的不准确性和设置（ii）中系统的非平稳性。我们表明，拟议的措施导致在两种情况下都能获得统一后悔的必要条件。对于设置（i），我们提出了一种新的算法，该算法采用了原始的偶视角，并将基础分布的先前信息集成到双重空间中的在线梯度下降过程。该算法也自然扩展到非信息设置（II）。在这两种设置下，我们显示相应的算法实现了最佳秩序的遗憾。在数值实验中，我们演示了如何将所提出的算法与重新溶解技术自然整合，以进一步提高经验性能。

套索是一种高维回归的方法，当时，当协变量$ p $的订单数量或大于观测值$ n $时，通常使用它。由于两个基本原因，经典的渐近态性理论不适用于该模型：$（1）$正规风险是非平滑的； $（2）$估算器$ \ wideHat {\ boldsymbol {\ theta}} $与true参数vector $ \ boldsymbol {\ theta}^*$无法忽略。结果，标准的扰动论点是渐近正态性的传统基础。另一方面，套索估计器可以精确地以$ n $和$ p $大，$ n/p $的订单为一。这种表征首先是在使用I.I.D的高斯设计的情况下获得的。协变量：在这里，我们将其推广到具有非偏差协方差结构的高斯相关设计。这是根据更简单的``固定设计''模型表示的。我们在两个模型中各种数量的分布之间的距离上建立了非反应界限，它们在合适的稀疏类别中均匀地固定在信号上$ \ boldsymbol {\ theta}^*$。作为应用程序，我们研究了借助拉索的分布，并表明需要校正程度对于计算有效的置信区间是必要的。