In model selection problems for machine learning, the desire for a well-performing model with meaningful structure is typically expressed through a regularized optimization problem. In many scenarios, however, the meaningful structure is specified in some discrete space, leading to difficult nonconvex optimization problems. In this paper, we connect the model selection problem with structure-promoting regularizers to submodular function minimization with continuous and discrete arguments. In particular, we leverage the theory of submodular functions to identify a class of these problems that can be solved exactly and efficiently with an agnostic combination of discrete and continuous optimization routines. We show how simple continuous or discrete constraints can also be handled for certain problem classes and extend these ideas to a robust optimization framework. We also show how some problems outside of this class can be embedded within the class, further extending the class of problems our framework can accommodate. Finally, we numerically validate our theoretical results with several proof-of-concept examples with synthetic and real-world data, comparing against state-of-the-art algorithms.

由于机器学习，统计和科学的应用，多边缘最佳运输（MOT）引起了极大的兴趣。但是，在大多数应用中，MOT的成功受到缺乏有效算法的严重限制。实际上，MOT一般需要在边际K及其支撑大小n的数量中指数时间n。本文开发了一个关于“结构”在poly（n，k）时间中可溶解的一般理论。我们开发了一个统一的算法框架，用于通过表征不同算法所需的“结构”来解决poly（n，k）时间中的MOT，这是根据双重可行性甲骨文的简单变体所需的。该框架有几个好处。首先，它使我们能够证明当前是最流行的MOT算法的Sinkhorn算法比其他算法要在poly（n，k）时间中求解MOT所需的结构更严格。其次，我们的框架使得为给定的MOT问题开发poly（n，k）时间算法变得更加简单。特别是（大约）解决双重可行性Oracle是必要和足够的 - 这更适合标准算法技术。我们通过为三个通用类成本结构类别的poly（n，k）时间算法开发poly（n，k）时间算法来说明这种易用性：（1）图形结构； （2）设定优化结构； （3）低阶和稀疏结构。对于结构（1），我们恢复了Sindhorn具有poly（n，k）运行时的已知结果；此外，我们为计算精确且稀疏的解决方案提供了第一个poly（n，k）时间算法。对于结构（2） - （3），我们给出了第一个poly（n，k）时间算法，甚至用于近似计算。这三个结构一起涵盖了许多MOT的当前应用。

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。

The affine rank minimization problem consists of finding a matrix of minimum rank that satisfies a given system of linear equality constraints. Such problems have appeared in the literature of a diverse set of fields including system identification and control, Euclidean embedding, and collaborative filtering. Although specific instances can often be solved with specialized algorithms, the general affine rank minimization problem is NP-hard, because it contains vector cardinality minimization as a special case.In this paper, we show that if a certain restricted isometry property holds for the linear transformation defining the constraints, the minimum rank solution can be recovered by solving a convex optimization problem, namely the minimization of the nuclear norm over the given affine space. We present several random ensembles of equations where the restricted isometry property holds with overwhelming probability, provided the codimension of the subspace is Ω(r(m + n) log mn), where m, n are the dimensions of the matrix, and r is its rank.The techniques used in our analysis have strong parallels in the compressed sensing framework. We discuss how affine rank minimization generalizes this pre-existing concept and outline a dictionary relating concepts from cardinality minimization to those of rank minimization. We also discuss several algorithmic approaches to solving the norm minimization relaxations, and illustrate our results with numerical examples.

给定数据点之间的一组差异测量值，确定哪种度量表示与输入测量最“一致”或最能捕获数据相关几何特征的度量是许多机器学习算法的关键步骤。现有方法仅限于特定类型的指标或小问题大小，因为在此类问题中有大量的度量约束。在本文中，我们提供了一种活跃的集合算法，即项目和忘记，该算法使用Bregman的预测，以解决许多（可能是指数）不平等约束的度量约束问题。我们提供了\ textsc {project and Hoses}的理论分析，并证明我们的算法会收敛到全局最佳解决方案，并以指数速率渐近地渐近地衰减了当前迭代的$ L_2 $距离。我们证明，使用我们的方法，我们可以解决三种类型的度量约束问题的大型问题实例：一般体重相关聚类，度量近距离和度量学习；在每种情况下，就CPU时间和问题尺寸而言，超越了艺术方法的表现。

We introduce a class of first-order methods for smooth constrained optimization that are based on an analogy to non-smooth dynamical systems. Two distinctive features of our approach are that (i) projections or optimizations over the entire feasible set are avoided, in stark contrast to projected gradient methods or the Frank-Wolfe method, and (ii) iterates are allowed to become infeasible, which differs from active set or feasible direction methods, where the descent motion stops as soon as a new constraint is encountered. The resulting algorithmic procedure is simple to implement even when constraints are nonlinear, and is suitable for large-scale constrained optimization problems in which the feasible set fails to have a simple structure. The key underlying idea is that constraints are expressed in terms of velocities instead of positions, which has the algorithmic consequence that optimizations over feasible sets at each iteration are replaced with optimizations over local, sparse convex approximations. In particular, this means that at each iteration only constraints that are violated are taken into account. The result is a simplified suite of algorithms and an expanded range of possible applications in machine learning.

Outier-bubust估计是一个基本问题，已由统计学家和从业人员进行了广泛的研究。在过去的几年中，整个研究领域的融合都倾向于“算法稳定统计”，该统计数据的重点是开发可拖动的异常体 - 固定技术来解决高维估计问题。尽管存在这种融合，但跨领域的研究工作主要彼此断开。本文桥接了有关可认证的异常抗衡器估计的最新工作，该估计是机器人技术和计算机视觉中的几何感知，并在健壮的统计数据中并行工作。特别是，我们适应并扩展了最新结果对可靠的线性回归（适用于<< 50％异常值的低外壳案例）和列表可解码的回归（适用于>> 50％异常值的高淘汰案例）在机器人和视觉中通常发现的设置，其中（i）变量（例如旋转，姿势）属于非convex域，（ii）测量值是矢量值，并且（iii）未知的异常值是先验的。这里的重点是绩效保证：我们没有提出新算法，而是为投入测量提供条件，在该输入测量值下，保证现代估计算法可以在存在异常值的情况下恢复接近地面真相的估计值。这些条件是我们所谓的“估计合同”。除了现有结果的拟议扩展外，我们认为本文的主要贡献是（i）通过指出共同点和差异来统一平行的研究行，（ii）在介绍先进材料（例如，证明总和证明）中的统一行为。对从业者的可访问和独立的演讲，（iii）指出一些即时的机会和开放问题，以发出异常的几何感知。

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。

形状约束，例如非负，单调性，凸度或超模型性，在机器学习和统计的各种应用中都起着关键作用。但是，将此方面的信息以艰苦的方式（例如，在间隔的所有点）纳入预测模型，这是一个众所周知的具有挑战性的问题。我们提出了一个统一和模块化的凸优化框架，依赖于二阶锥（SOC）拧紧，以编码属于矢量值重现的载体内核Hilbert Spaces（VRKHSS）的模型对函数衍生物的硬仿射SDP约束。所提出的方法的模块化性质允许同时处理多个形状约束，并将无限数量的约束限制为有限的许多。我们证明了所提出的方案的收敛及其自适应变体的收敛性，利用VRKHSS的几何特性。由于基于覆盖的拧紧构造，该方法特别适合具有小到中等输入维度的任务。该方法的效率在形状优化，机器人技术和计量经济学的背景下进行了说明。

尽管学习已成为现代信息处理的核心组成部分，但现在有足够的证据表明它可以导致偏见，不安全和有偏见的系统。因此，对学习要求施加要求至关重要，尤其是在达到社会，工业和医疗领域的关键应用程序时。但是，大多数现代统计问题的非跨性别性只有通过限制引入而加剧。尽管通常可以使用经验风险最小化来学习良好的无约束解决方案，即使获得满足统计约束的模型也可能具有挑战性。更重要的是，一个好。在本文中，我们通过在经验双重领域中学习来克服这个问题，在经验的双重领域中，统计学上的统计学习问题变得不受限制和确定性。我们通过界定经验二元性差距来分析这种方法的概括特性 - 即，我们的近似，可拖动解决方案与原始（非凸）统计问题的解决方案之间的差异 - 并提供实用的约束学习算法。这些结果建立了与经典学习理论的约束，从而可以明确地在学习中使用约束。我们说明了这种理论和算法受到速率受限的学习应用，这是在公平和对抗性鲁棒性中产生的。

预测到优化的框架在许多实际设置中都是基础：预测优化问题的未知参数，然后使用参数的预测值解决该问题。与参数的预测误差相反，在这种环境中的自然损失函数是考虑预测参数引起的决策成本。最近在Elmachtoub和Grigas（2022）中引入了此损失函数，并被称为智能预测 - 优化（SPO）损失。在这项工作中，我们试图提供有关在SPO损失的背景下，预测模型在训练数据中概括的预测模型的性能如何。由于SPO损失是非凸面和非lipschitz，因此不适用推导概括范围的标准结果。我们首先根据natarajan维度得出界限，在多面体可行区域中，在极端点数中最大程度地比对数扩展，但是，在一般凸的可行区域中，对决策维度具有线性依赖性。通过利用SPO损耗函数的结构和可行区域的关键特性，我们将其表示为强度属性，我们可以显着提高对决策和特征维度的依赖。我们的方法和分析依赖于围绕有问题的预测的利润，这些预测不会产生独特的最佳解决方案，然后在修改后的利润率SPO损失函数的背景下提供了概括界限，而SPO损失函数是Lipschitz的连续。最后，我们表征了强度特性，并表明可以有效地计算出具有显式极端表示的强凸体和多面体的修饰的SPO损耗。

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。

稀疏数据的恢复是机器学习和信号处理中许多应用的核心。虽然可以使用$ \ ell_1 $ -regularization在套索估算器中使用此类问题，但在基础上，通常需要专用算法来解决大型实例的相应高维非平滑优化。迭代地重新重复的最小二乘（IRLS）是一种广泛使用的算法，其出于其优异的数值性能。然而，虽然现有理论能够保证该算法的收敛到最小化器，但它不提供全局收敛速度。在本文中，我们证明了IRLS的变型以全局线性速率收敛到稀疏解决方案，即，如果测量结果满足通常的空空间属性假设，则立即发生线性误差。我们通过数值实验支持我们的理论，表明我们的线性速率捕获了正确的维度依赖性。我们预计我们的理论调查结果将导致IRLS算法的许多其他用例的新见解，例如在低级矩阵恢复中。

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。

对于函数的矩阵或凸起的正半明确度（PSD）的形状约束在机器学习和科学的许多应用中起着核心作用，包括公制学习，最佳运输和经济学。然而，存在很少的功能模型，以良好的经验性能和理论担保来强制执行PSD-NESS或凸起。在本文中，我们介绍了用于在PSD锥中的值的函数的内核平方模型，其扩展了最近建议编码非负标量函数的内核平方型号。我们为这类PSD函数提供了一个代表性定理，表明它构成了PSD函数的普遍近似器，并在限定的平等约束的情况下导出特征值界限。然后，我们将结果应用于建模凸起函数，通过执行其Hessian的核心量子表示，并表明可以因此表示任何平滑且强凸的功能。最后，我们说明了我们在PSD矩阵值回归任务中的方法以及标准值凸起回归。

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。

本文提出了弗兰克 - 沃尔夫（FW）的新变种​​，称为$ k $ fw。标准FW遭受缓慢的收敛性：迭代通常是Zig-zag作为更新方向振荡约束集的极端点。新变种，$ k $ fw，通过在每次迭代中使用两个更强的子问题oracelles克服了这个问题。第一个是$ k $线性优化Oracle（$ k $ loo），计算$ k $最新的更新方向（而不是一个）。第二个是$ k $方向搜索（$ k $ ds），最大限度地减少由$ k $最新更新方向和之前迭代表示的约束组的目标。当问题解决方案承认稀疏表示时，奥克斯都易于计算，而且$ k $ FW会迅速收敛，以便平滑凸起目标和几个有趣的约束集：$ k $ fw实现有限$ \ frac {4l_f ^ 3d ^} { \ Gamma \ Delta ^ 2} $融合在多台和集团规范球上，以及光谱和核规范球上的线性收敛。数值实验验证了$ k $ fw的有效性，并展示了现有方法的数量级加速。

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。

我们研究了估计多元高斯分布中的精度矩阵的问题，其中所有部分相关性都是非负面的，也称为多变量完全阳性的顺序阳性（$ \ mathrm {mtp} _2 $）。近年来，这种模型得到了重大关注，主要是由于有趣的性质，例如，无论底层尺寸如何，最大似然估计值都存在于两个观察。我们将此问题作为加权$ \ ell_1 $ -norm正常化高斯的最大似然估计下$ \ mathrm {mtp} _2 $约束。在此方向上，我们提出了一种新颖的预计牛顿样算法，该算法包含精心设计的近似牛顿方向，这导致我们具有与一阶方法相同的计算和内存成本的算法。我们证明提出的预计牛顿样算法会聚到问题的最小值。从理论和实验中，我们进一步展示了我们使用加权$ \ ell_1 $ -norm的制剂的最小化器能够正确地恢复基础精密矩阵的支持，而无需在$ \ ell_1 $ -norm中存在不连贯状态方法。涉及合成和实世界数据的实验表明，我们所提出的算法从计算时间透视比最先进的方法显着更有效。最后，我们在金融时序数据中应用我们的方法，这些数据对于显示积极依赖性，在那里我们在学习金融网络上的模块间值方面观察到显着性能。

我们考虑最小化高维目标函数的问题，该功能可以包括正则化术语，使用（可能的噪声）评估该功能。这种优化也称为无衍生，零阶或黑匣子优化。我们提出了一个新的$ \ textbf {z} $ feroth - $ \ textbf {o} $ rder $ \ textbf {r} $ ptimization方法，称为zoro。当潜在的梯度大致稀疏时，Zoro需要很少的客观函数评估，以获得降低目标函数的新迭代。我们通过自适应，随机梯度估计器实现这一点，然后是不精确的近端梯度方案。在一个新颖的大致稀疏梯度假设和各种不同的凸面设置下，我们显示了zoro的（理论和实证）收敛速率仅对对数依赖于问题尺寸。数值实验表明，Zoro在合成和实际数据集中优于具有相似假设的现有方法。