已经观察到图形神经网络（GNN）有时难以在跨节点上建模的长距离依赖性之间保持健康的平衡，同时避免了诸如过天平的节点表示的非线性后果。为了解决这个问题（以及其他事情），最近提出了两个单独的策略，即隐含和展开的GNN。前者将节点表示作为深度平衡模型的固定点，其可以有效地促进横跨图形的任意隐式传播，具有固定的存储器占用。相反，后者涉及将图形传播作为应用于某些图形正则化能功能的展开渐变迭代处理。在这种情况下激励，在本文中，我们仔细阐明了这些方法的相似性和差异，量化了他们所产生的解决方案的明确情况实际上是等同的，而行为发散的其他方法。这包括分析会聚，代表能力和解释性。我们还提供各种综合和公共现实世界基准的经验性头脑比较。

尽管近期图形神经网络（GNN）成功，但常见的架构通常表现出显着的限制，包括对过天飞机，远程依赖性和杂散边缘的敏感性，例如，由于图形异常或对抗性攻击。至少部分地解决了一个简单的透明框架内的这些问题，我们考虑了一个新的GNN层系列，旨在模仿和整合两个经典迭代算法的更新规则，即近端梯度下降和迭代重复最小二乘（IRLS）。前者定义了一个可扩展的基础GNN架构，其免受过性的，而仍然可以通过允许任意传播步骤捕获远程依赖性。相反，后者产生了一种新颖的注意机制，该注意机制被明确地锚定到底层端到端能量函数，以及相对于边缘不确定性的稳定性。当结合时，我们获得了一个非常简单而强大的模型，我们在包括标准化基准，与异常扰动的图形，具有异化的图形和涉及远程依赖性的图形的不同方案的极其简单而强大的模型。在此过程中，我们与已明确为各个任务设计的SOTA GNN方法进行比较，实现竞争或卓越的节点分类准确性。我们的代码可以在https://github.com/fftyyy/twirls获得。

异质图神经网络（GNNS）在半监督学习设置中在节点分类任务上实现了强大的性能。但是，与更简单的GNN案例一样，基于消息的异质GNN可能难以在抵抗深模型中发生的过度厚度与捕获长期依赖关系图表结构化数据之间进行平衡。此外，由于不同类型的节点之间的异质关系，这种权衡的复杂性在异质图中复杂化。为了解决这些问题，我们提出了一种新型的异质GNN结构，其中层来自降低新型关系能量函数的优化步骤。相应的最小化器相对于能量函数参数是完全可区分的，因此可以应用双光线优化来有效地学习功能形式，其最小值为后续分类任务提供了最佳节点表示。特别是，这种方法使我们能够在不同的节点类型之间建模各种杂质关系，同时避免过度平滑效果。 8个异质图基准的实验结果表明，我们提出的方法可以达到竞争性节点分类的精度。

由于问题过度问题，大多数现有的图形神经网络只能使用其固有有限的聚合层捕获有限的依赖性。为了克服这一限制，我们提出了一种新型的图形卷积，称为图形隐式非线性扩散（GIND），该卷积隐含地可以访问邻居的无限啤酒花，同时具有非线性扩散的自适应聚集特征，以防止过度张开。值得注意的是，我们表明，学到的表示形式可以正式化为显式凸优化目标的最小化器。有了这个属性，我们可以从优化的角度从理论上表征GIND的平衡。更有趣的是，我们可以通过修改相应的优化目标来诱导新的结构变体。具体而言，我们可以将先前的特性嵌入到平衡中，并引入跳过连接以促进训练稳定性。广泛的实验表明，GIND擅长捕获长期依赖性，并且在具有非线性扩散的同粒细胞和异性图上表现良好。此外，我们表明，我们模型的优化引起的变体可以提高性能并提高训练稳定性和效率。结果，我们的GIND在节点级别和图形级任务上都获得了重大改进。

最近有兴趣的兴趣在教师学生环境中的各种普遍性线性估计问题中的渐近重建性能研究，特别是对于I.I.D标准正常矩阵的案例。在这里，我们超越这些矩阵，并证明了具有具有任意界限频谱的旋转不变数据矩阵的凸遍的线性模型的重建性能的分析公式，严格地确认使用来自统计物理的副本衍生的猜想。该公式包括许多问题，例如压缩感测或稀疏物流分类。通过利用消息通过算法和迭代的统计特性来实现证明，允许表征估计器的渐近实证分布。我们的证据是基于构建Oracle多层向量近似消息传递算法的会聚序列的构建，其中通过检查等效动态系统的稳定性来完成收敛分析。我们说明了我们对主流学习方法的数值示例的要求，例如稀疏的逻辑回归和线性支持矢量分类器，显示中等大小模拟和渐近预测之间的良好一致性。

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

现代统计应用常常涉及最小化可能是非流动和/或非凸起的目标函数。本文侧重于广泛的Bregman-替代算法框架，包括本地线性近似，镜像下降，迭代阈值，DC编程以及许多其他实例。通过广义BREGMAN功能的重新发出使我们能够构建合适的误差测量并在可能高维度下建立非凸起和非凸起和非球形目标的全球收敛速率。对于稀疏的学习问题，在一些规律性条件下，所获得的估算器作为代理人的固定点，尽管不一定是局部最小化者，但享受可明确的统计保障，并且可以证明迭代顺序在所需的情况下接近统计事实准确地快速。本文还研究了如何通过仔细控制步骤和放松参数来设计基于适应性的动力的加速度而不假设凸性或平滑度。

在深度学习中的优化分析是连续的，专注于（变体）梯度流动，或离散，直接处理（变体）梯度下降。梯度流程可符合理论分析，但是风格化并忽略计算效率。它代表梯度下降的程度是深度学习理论的一个开放问题。目前的论文研究了这个问题。将梯度下降视为梯度流量初始值问题的近似数值问题，发现近似程度取决于梯度流动轨迹周围的曲率。然后，我们表明，在具有均匀激活的深度神经网络中，梯度流动轨迹享有有利的曲率，表明它们通过梯度下降近似地近似。该发现允许我们将深度线性神经网络的梯度流分析转换为保证梯度下降，其几乎肯定会在随机初始化下有效地收敛到全局最小值。实验表明，在简单的深度神经网络中，具有传统步长的梯度下降确实接近梯度流。我们假设梯度流动理论将解开深入学习背后的奥秘。

最小化能量的动力系统在几何和物理学中无处不在。我们为GNN提出了一个梯度流框架，其中方程遵循可学习能量的最陡峭下降的方向。这种方法允许从多粒子的角度来解释GNN的演变，以通过对称“通道混合”矩阵的正和负特征值在特征空间中学习吸引力和排斥力。我们对溶液进行光谱分析，并得出结论，梯度流量图卷积模型可以诱导以图高频为主导的动力学，这对于异性数据集是理想的。我们还描述了对常见GNN体系结构的结构约束，从而将其解释为梯度流。我们进行了彻底的消融研究，以证实我们的理论分析，并在现实世界同质和异性数据集上显示了简单和轻量级模型的竞争性能。

我们考虑使用梯度下降来最大程度地减少$ f（x）= \ phi（xx^{t}）$在$ n \ times r $因件矩阵$ x $上，其中$ \ phi是一种基础平稳凸成本函数定义了$ n \ times n $矩阵。虽然只能在合理的时间内发现只有二阶固定点$ x $，但如果$ x $的排名不足，则其排名不足证明其是全球最佳的。这种认证全球最优性的方式必然需要当前迭代$ x $的搜索等级$ r $，以相对于级别$ r^{\ star} $过度参数化。不幸的是，过度参数显着减慢了梯度下降的收敛性，从$ r = r = r = r^{\ star} $的线性速率到$ r> r> r> r> r^{\ star} $，即使$ \ phi $是$ \ phi $强烈凸。在本文中，我们提出了一项廉价的预处理，该预处理恢复了过度参数化的情况下梯度下降回到线性的收敛速率，同时也使在全局最小化器$ x^{\ star} $中可能不良条件变得不可知。

策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。

We leverage path differentiability and a recent result on nonsmooth implicit differentiation calculus to give sufficient conditions ensuring that the solution to a monotone inclusion problem will be path differentiable, with formulas for computing its generalized gradient. A direct consequence of our result is that these solutions happen to be differentiable almost everywhere. Our approach is fully compatible with automatic differentiation and comes with assumptions which are easy to check, roughly speaking: semialgebraicity and strong monotonicity. We illustrate the scope of our results by considering three fundamental composite problem settings: strongly convex problems, dual solutions to convex minimization problems and primal-dual solutions to min-max problems.

Pre-publication draft of a book to be published byMorgan & Claypool publishers. Unedited version released with permission. All relevant copyrights held by the author and publisher extend to this pre-publication draft.

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

我们考虑最大程度地减少两次不同的可差异，$ l $ -smooth和$ \ mu $ -stronglongly凸面目标$ \ phi $ phi $ a $ n \ times n $ n $阳性阳性半finite $ m \ succeq0 $，在假设是最小化的假设$ m^{\ star} $具有低等级$ r^{\ star} \ ll n $。遵循burer- monteiro方法，我们相反，在因子矩阵$ x $ size $ n \ times r $的因素矩阵$ x $上最小化nonconvex objection $ f（x）= \ phi（xx^{t}）$。这实际上将变量的数量从$ o（n^{2}）$减少到$ O（n）$的少量，并且免费实施正面的半弱点，但要付出原始问题的均匀性。在本文中，我们证明，如果搜索等级$ r \ ge r^{\ star} $被相对于真等级$ r^{\ star} $的常数因子过度参数化，则如$ r> \ in frac {1} {4}（l/\ mu-1）^{2} r^{\ star} $，尽管非概念性，但保证本地优化可以从任何初始点转换为全局最佳。这显着改善了先前的$ r \ ge n $的过度参数化阈值，如果允许$ \ phi $是非平滑和/或非额外凸的，众所周知，这将是尖锐的，但会增加变量的数量到$ o（n^{2}）$。相反，没有排名过度参数化，我们证明只有$ \ phi $几乎完美地条件，并且条件数量为$ l/\ mu <3 $，我们才能证明这种全局保证是可能的。因此，我们得出的结论是，少量的过度参数化可能会导致非凸室的理论保证得到很大的改善 - 蒙蒂罗分解。

我们提出了一个基于预测校正范式的统一框架，用于在原始和双空间中的预测校正范式。在此框架中，以固定的间隔进行了连续变化的优化问题，并且每个问题都通过原始或双重校正步骤近似解决。通过预测步骤的输出，该解决方案方法是温暖启动的，该步骤的输出可以使用过去的信息解决未来问题的近似。在不同的假设集中研究并比较了预测方法。该框架涵盖的算法的示例是梯度方法的时变版本，分裂方法和著名的乘数交替方向方法（ADMM）。

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。

Network data are ubiquitous in modern machine learning, with tasks of interest including node classification, node clustering and link prediction. A frequent approach begins by learning an Euclidean embedding of the network, to which algorithms developed for vector-valued data are applied. For large networks, embeddings are learned using stochastic gradient methods where the sub-sampling scheme can be freely chosen. Despite the strong empirical performance of such methods, they are not well understood theoretically. Our work encapsulates representation methods using a subsampling approach, such as node2vec, into a single unifying framework. We prove, under the assumption that the graph is exchangeable, that the distribution of the learned embedding vectors asymptotically decouples. Moreover, we characterize the asymptotic distribution and provided rates of convergence, in terms of the latent parameters, which includes the choice of loss function and the embedding dimension. This provides a theoretical foundation to understand what the embedding vectors represent and how well these methods perform on downstream tasks. Notably, we observe that typically used loss functions may lead to shortcomings, such as a lack of Fisher consistency.

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。

Graph Neural Networks (graph NNs) are a promising deep learning approach for analyzing graph-structured data. However, it is known that they do not improve (or sometimes worsen) their predictive performance as we pile up many layers and add non-lineality. To tackle this problem, we investigate the expressive power of graph NNs via their asymptotic behaviors as the layer size tends to infinity. Our strategy is to generalize the forward propagation of a Graph Convolutional Network (GCN), which is a popular graph NN variant, as a specific dynamical system. In the case of a GCN, we show that when its weights satisfy the conditions determined by the spectra of the (augmented) normalized Laplacian, its output exponentially approaches the set of signals that carry information of the connected components and node degrees only for distinguishing nodes. Our theory enables us to relate the expressive power of GCNs with the topological information of the underlying graphs inherent in the graph spectra. To demonstrate this, we characterize the asymptotic behavior of GCNs on the Erdős -Rényi graph. We show that when the Erdős -Rényi graph is sufficiently dense and large, a broad range of GCNs on it suffers from the "information loss" in the limit of infinite layers with high probability. Based on the theory, we provide a principled guideline for weight normalization of graph NNs. We experimentally confirm that the proposed weight scaling enhances the predictive performance of GCNs in real data 1 .