这项工作考虑了从观察到的数据学习线性系统的马尔可夫参数的问题。最近的非渐近系统识别结果表征了单个和多卷展览设置中这个问题的样本复杂性。在这两个实例中，为了获得可接受的估计所需的样本数量可以为二阶算法的难以接触的判决变量产生优化问题。我们表明，基于Hessian-Sketching的随机和分布式牛顿算法可以生产$ \ epsilon $ -optimal解决方案并在几何上收敛。此外，该算法史无于衷。我们的结果适用于各种草图矩阵，我们用数字示例说明了理论。

We consider minimizing a smooth and strongly convex objective function using a stochastic Newton method. At each iteration, the algorithm is given an oracle access to a stochastic estimate of the Hessian matrix. The oracle model includes popular algorithms such as Subsampled Newton and Newton Sketch. Despite using second-order information, these existing methods do not exhibit superlinear convergence, unless the stochastic noise is gradually reduced to zero during the iteration, which would lead to a computational blow-up in the per-iteration cost. We propose to address this limitation with Hessian averaging: instead of using the most recent Hessian estimate, our algorithm maintains an average of all the past estimates. This reduces the stochastic noise while avoiding the computational blow-up. We show that this scheme exhibits local $Q$-superlinear convergence with a non-asymptotic rate of $(\Upsilon\sqrt{\log (t)/t}\,)^{t}$, where $\Upsilon$ is proportional to the level of stochastic noise in the Hessian oracle. A potential drawback of this (uniform averaging) approach is that the averaged estimates contain Hessian information from the global phase of the method, i.e., before the iterates converge to a local neighborhood. This leads to a distortion that may substantially delay the superlinear convergence until long after the local neighborhood is reached. To address this drawback, we study a number of weighted averaging schemes that assign larger weights to recent Hessians, so that the superlinear convergence arises sooner, albeit with a slightly slower rate. Remarkably, we show that there exists a universal weighted averaging scheme that transitions to local convergence at an optimal stage, and still exhibits a superlinear convergence rate nearly (up to a logarithmic factor) matching that of uniform Hessian averaging.

我们应用随机顺序二次编程（STOSQP）算法来求解受约束的非线性优化问题，在该问题是随机的，并且约束是确定性的。我们研究了一个完全随机的设置，其中每次迭代中只有一个样本可用于估计物镜的梯度和黑森州。我们允许stosqp选择一个随机架子$ \ bar {\ alpha} _t $适应性，使得$ \ beta_t \ leq \ leq \ bar {\ alpha} _t \ leq \ leq \ beta_t+beta_t+\ chi_t+\ chi_t $，wither = o（\ beta_t）$是预定的确定性序列。我们还允许STOSQP通过随机迭代求解器（例如，使用草图和项目方法）求解牛顿系统。而且我们不需要不精确的牛顿方向的近似误差即可消失。对于这个一般的STOSQP框架，我们建立了其最后一次迭代的渐近收敛速率，最差的案例迭代复杂性是副产品。我们执行统计推断。特别是，有了适当的衰减$ \ beta_t，\ chi_t $，我们表明：（i）STOSQP方案最多可以采用$ o（1/\ epsilon^4）$ iterations $ iterations $ iTerations以实现$ \ epsilon $ -Stationarity; （ii）几乎毫无疑问，$ \ |（x_t -x^\ star，\ lambda_t- \ lambda^\ star）\ | | = o（\ sqrt {\ beta_t \ log（1/\ beta_t）}）+o（\ chi_t/\ beta_t）$，其中$（x_t，\ lambda_t）$是primal-dimal-dimal-dialal-dialal-dialal-dual stosqp itselmate; （iii）序列$ 1/\ sqrt {\ beta_t} \ cdot（x_t -x^\ star，\ lambda_t- \ lambda_t- \ lambda^\ star）$收敛到平均零高斯分布，具有非琐事的共价矩阵。此外，我们建立了$（x_t，\ lambda_t）$的Berry-Esseen，以定量地测量其分布功能的收敛性。我们还为协方差矩阵提供了实用的估计器，可以使用iTerates $ \ {（x_t，\ lambda_t）\} _ t $构建$（x^\ star，\ lambda^\ star）$的置信区间（x^\ star，\ lambda^\ star）$。我们的定理使用最可爱的测试集中的非线性问题验证。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

算法高斯化是一种现象，当使用随机素描或采样方法生成较小的大数据集的较小表示时，可能会出现的现象：对于某些任务，已经观察到这些草图表示表现出许多可靠的性能特征，这些性能是在数据样本中出现的，这些性能来自次高斯随机设计，是一个强大的数据分布统计模型。但是，这种现象仅研究了特定的任务和指标，或依靠计算昂贵的方法。我们通过为平均值提供用于高斯数据分布的算法框架来解决这一问题，并证明可以有效构建几乎无法区分的数据草图（与亚高斯随机设计有关的总变化距离）。特别是，依靠最近引入的素描技术称为杠杆得分稀疏（少）嵌入，我们表明一个人可以构造$ n \ times d $矩阵$ a $的$ n \ times d $ sketch of $ n \ times d $ n \ ll n $，几乎与次高斯设计几乎没有区别$ a $中的非零条目的数量。结果，可以直接适用于我们的草图框架，可直接适用于我们的草图框架。我们通过对草图最小二乘正方形的新近似保证进行了说明。

我们在限制下研究了一阶优化算法，即使用每个维度的$ r $ bits预算进行量化下降方向，其中$ r \ in（0，\ infty）$。我们提出了具有收敛速率的计算有效优化算法，与信息理论性能匹配：（i）：（i）具有访问精确梯度甲骨文的平稳且强烈的符合目标，以及（ii）一般凸面和非平滑目标访问嘈杂的亚级别甲骨文。这些算法的关键是一种多项式复杂源编码方案，它在量化它之前将矢量嵌入随机子空间中。这些嵌入使得具有很高的概率，它们沿着转换空间的任何规范方向的投影很小。结果，量化这些嵌入，然后对原始空间进行逆变换产生一种源编码方法，具有最佳的覆盖效率，同时仅利用每个维度的$ r $ bits。我们的算法保证了位预算$ r $的任意值的最佳性，其中包括次线性预算制度（$ r <1 $），以及高预算制度（$ r \ geq 1 $），虽然需要$ o \ left（n^2 \右）$乘法，其中$ n $是尺寸。我们还提出了使用Hadamard子空间对这种编码方案的有效放松扩展以显着提高梯度稀疏方案的性能。数值模拟验证我们的理论主张。我们的实现可在https://github.com/rajarshisaha95/distoptconstrocncomm上获得。

通常希望通过将其投影到低维子空间来降低大数据集的维度。矩阵草图已成为一种非常有效地执行这种维度降低的强大技术。尽管有关于草图最差的表现的广泛文献，但现有的保证通常与实践中观察到的差异截然不同。我们利用随机矩阵的光谱分析中的最新发展来开发新技术，这些技术为通过素描获得的随机投影矩阵的期望值提供了准确的表达。这些表达式可以用来表征各种常见的机器学习任务中尺寸降低的性能，从低级别近似到迭代随机优化。我们的结果适用于几种流行的草图方法，包括高斯和拉德马赫草图，它们可以根据数据的光谱特性对这些方法进行精确的分析。经验结果表明，我们得出的表达式反映了这些草图方法的实际性能，直到低阶效应甚至不变因素。

We consider the nonlinear inverse problem of learning a transition operator $\mathbf{A}$ from partial observations at different times, in particular from sparse observations of entries of its powers $\mathbf{A},\mathbf{A}^2,\cdots,\mathbf{A}^{T}$. This Spatio-Temporal Transition Operator Recovery problem is motivated by the recent interest in learning time-varying graph signals that are driven by graph operators depending on the underlying graph topology. We address the nonlinearity of the problem by embedding it into a higher-dimensional space of suitable block-Hankel matrices, where it becomes a low-rank matrix completion problem, even if $\mathbf{A}$ is of full rank. For both a uniform and an adaptive random space-time sampling model, we quantify the recoverability of the transition operator via suitable measures of incoherence of these block-Hankel embedding matrices. For graph transition operators these measures of incoherence depend on the interplay between the dynamics and the graph topology. We develop a suitable non-convex iterative reweighted least squares (IRLS) algorithm, establish its quadratic local convergence, and show that, in optimal scenarios, no more than $\mathcal{O}(rn \log(nT))$ space-time samples are sufficient to ensure accurate recovery of a rank-$r$ operator $\mathbf{A}$ of size $n \times n$. This establishes that spatial samples can be substituted by a comparable number of space-time samples. We provide an efficient implementation of the proposed IRLS algorithm with space complexity of order $O(r n T)$ and per-iteration time complexity linear in $n$. Numerical experiments for transition operators based on several graph models confirm that the theoretical findings accurately track empirical phase transitions, and illustrate the applicability and scalability of the proposed algorithm.

素描和项目是一个框架，它统一了许多已知的迭代方法来求解线性系统及其变体，并进一步扩展了非线性优化问题。它包括流行的方法，例如随机kaczmarz，坐标下降，凸优化的牛顿方法的变体等。在本文中，我们通过新的紧密频谱边界为预期的草图投影矩阵获得了素描和项目的收敛速率的敏锐保证。我们的估计值揭示了素描和项目的收敛率与另一个众所周知但看似无关的算法家族的近似误差之间的联系，这些算法使用草图加速了流行的矩阵因子化，例如QR和SVD。这种连接使我们更接近准确量化草图和项目求解器的性能如何取决于其草图大小。我们的分析不仅涵盖了高斯和次高斯的素描矩阵，还涵盖了一个有效的稀疏素描方法，称为较少的嵌入方法。我们的实验备份了理论，并证明即使极稀疏的草图在实践中也显示出相同的收敛属性。

在线性回归中，我们希望根据少量样本估算超过$ d $维的输入点和实价响应的最佳最小二乘预测。根据标准随机设计分析，其中绘制样品i.i.d。从输入分布中，该样品的最小二乘解决方案可以看作是最佳的自然估计器。不幸的是，该估计器几乎总是产生来自输入点的随机性的不良偏置，这在模型平均中是一个重要的瓶颈。在本文中，我们表明可以绘制非i.i.d。输入点的样本，无论响应模型如何，最小二乘解决方案都是最佳的无偏估计器。此外，可以通过增强先前绘制的I.I.D。可以有效地生产该样本。带有额外的$ d $点的样品，根据点由点跨越的平方量重新缩放的输入分布构建的一定确定点过程，共同绘制。在此激励的基础上，我们开发了一个理论框架来研究体积响应的采样，并在此过程中证明了许多新的矩阵期望身份。我们使用它们来表明，对于任何输入分布和$ \ epsilon> 0 $，有一个随机设计由$ o（d \ log d+ d+ d+ d/\ epsilon）$点，从中可以从中构造出无偏见的估计器，其预期的是正方形损耗在整个发行版中，$ 1+\ epsilon $ times最佳损失。我们提供有效的算法来在许多实际设置中生成这种无偏估计量，并在实验中支持我们的主张。

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。

我们研究了用于线性回归的主动采样算法，该算法仅旨在查询目标向量$ b \ in \ mathbb {r} ^ n $的少量条目，并将近最低限度输出到$ \ min_ {x \ In \ mathbb {r} ^ d} \ | ax-b \ | $，其中$ a \ in \ mathbb {r} ^ {n \ times d} $是一个设计矩阵和$ \ | \ cdot \ | $是一些损失函数。对于$ \ ell_p $ norm回归的任何$ 0 <p <\ idty $，我们提供了一种基于Lewis权重采样的算法，其使用只需$ \ tilde {o}输出$（1+ \ epsilon）$近似解决方案（d ^ {\ max（1，{p / 2}）} / \ mathrm {poly}（\ epsilon））$查询到$ b $。我们表明，这一依赖于$ D $是最佳的，直到对数因素。我们的结果解决了陈和Derezi的最近开放问题，陈和Derezi \'{n} Ski，他们为$ \ ell_1 $ norm提供了附近的最佳界限，以及$ p \中的$ \ ell_p $回归的次优界限（1,2） $。我们还提供了$ O的第一个总灵敏度上限（D ^ {\ max \ {1，p / 2 \} \ log ^ 2 n）$以满足最多的$ p $多项式增长。这改善了Tukan，Maalouf和Feldman的最新结果。通过将此与我们的技术组合起来的$ \ ell_p $回归结果，我们获得了一个使$ \ tilde o的活动回归算法（d ^ {1+ \ max \ {1，p / 2 \}} / \ mathrm {poly}。 （\ epsilon））$疑问，回答陈和德里兹的另一个打开问题{n}滑雪。对于Huber损失的重要特殊情况，我们进一步改善了我们对$ \ tilde o的主动样本复杂性的绑定（d ^ {（1+ \ sqrt2）/ 2} / \ epsilon ^ c）$和非活跃$ \ tilde o的样本复杂性（d ^ {4-2 \ sqrt 2} / \ epsilon ^ c）$，由于克拉克森和伍德拉夫而改善了Huber回归的以前的D ^ 4 $。我们的敏感性界限具有进一步的影响，使用灵敏度采样改善了各种先前的结果，包括orlicz规范子空间嵌入和鲁棒子空间近似。最后，我们的主动采样结果为每种$ \ ell_p $ norm提供的第一个Sublinear时间算法。

我们解决了如何在没有严格缩放条件的情况下实现分布式分数回归中最佳推断的问题。由于分位数回归（QR）损失函数的非平滑性质，这是具有挑战性的，这使现有方法的使用无效。难度通过应用于本地（每个数据源）和全局目标函数的双光滑方法解决。尽管依赖局部和全球平滑参数的精致组合，但分位数回归模型是完全参数的，从而促进了解释。在低维度中，我们为顺序定义的分布式QR估计器建立了有限样本的理论框架。这揭示了通信成本和统计错误之间的权衡。我们进一步讨论并比较了基于WALD和得分型测试和重采样技术的反转的几种替代置信集结构，并详细介绍了对更极端分数系数有效的改进。在高维度中，采用了一个稀疏的框架，其中提出的双滑目标功能与$ \ ell_1 $ -penalty相辅相成。我们表明，相应的分布式QR估计器在近乎恒定的通信回合之后达到了全球收敛率。一项彻底的模拟研究进一步阐明了我们的发现。

对以联邦学习（FL）的名义进行的分布式优化框架越来越感兴趣。特别是，在通信资源（例如，带宽）和数据分布方面，网络非常异质的情况下，网络是强烈的。在这些情况下，本地机器（代理）和中央服务器（主）之间的通信是主要考虑因素。在这项工作中，我们提出了棚屋，这是一种原始的通信限制在这种异质场景中旨在加速FL的牛顿型（NT）算法。棚子是通过设计强大到非i.i.d.数据分布，处理代理通信资源的异质性（CRS），仅需要零星的Hessian计算，并实现超级线性收敛。这是可能的，这是基于当地Hessian矩阵的特征分配的增量策略，该矩阵（可能）（可能）过时的二阶信息。通过评估（i）收敛所需的通信回合的数量，（ii）传输的数据总量以及（iii）本地Hessian计算的数量，可以在实际数据集上进行彻底验证所提出的解决方案。对于所有这些指标，提出的方法显示出对巨人和FedNL等最新技术的卓越性能。

我们考虑由非线性状态等式$ H_ {T + 1} = \ phi（h_t，u_t; \ theta）+ w_t $ toy的稳定系统的问题问题。在这里$ \ theta $是未知的系统动态，$ h_t $是状态，$ u_t $是输入，$ w_t $是附加噪音矢量。我们研究了基于梯度的算法，以了解从单个有限轨迹所获得的样本的系统动态$ \ theta $。如果系统通过稳定输入策略运行，我们表明可以通过I.i.d近似时间依赖的样本。使用混合时间参数通过截断参数示例。然后，我们为经验损失梯度的均匀收敛性开发新的保证。与现有的工作不同，我们的界限是噪声敏感，允许高精度和小样本复杂度学习地面真实动态。我们的结果在一起，促进了稳定政策下的一般非线性系统的高效学习。我们专注于进入明智的非线性激活的保证，并在各种数值实验中验证我们的理论

通过在线规范相关性分析的问题，我们提出了\ emph {随机缩放梯度下降}（SSGD）算法，以最小化通用riemannian歧管上的随机功能的期望。 SSGD概括了投影随机梯度下降的思想，允许使用缩放的随机梯度而不是随机梯度。在特殊情况下，球形约束的特殊情况，在广义特征向量问题中产生的，我们建立了$ \ sqrt {1 / t} $的令人反感的有限样本，并表明该速率最佳最佳，直至具有积极的积极因素相关参数。在渐近方面，一种新的轨迹平均争论使我们能够实现局部渐近常态，其速率与鲁普特 - Polyak-Quaditsky平均的速率匹配。我们将这些想法携带在一个在线规范相关分析，从事文献中的第一次获得了最佳的一次性尺度算法，其具有局部渐近融合到正常性的最佳一次性尺度算法。还提供了用于合成数据的规范相关分析的数值研究。

非凸优化的马鞍点避免问题在大规模分布式学习框架中非常具有挑战性，例如联邦学习，特别是在拜占庭工作者的存在。 「庆祝的立方规范化牛顿方法\ Cite {Nest}是避免标准集中（非分布式）设置中的马鞍点的最优雅方式之一。在本文中，我们将立方正规化的牛顿方法扩展到分布式框架，同时解决了几种实际挑战，如通信瓶颈和拜占庭攻击。请注意，由于流氓机器可以在丢失功能的鞍点附近创建\ emph {假本地最小值}，因此在丢失函数的鞍点附近，尚未创建拜占机器的存在，避免问题在拜占庭机器的情况下变得更加重要。作为二阶算法，我们的迭代复杂性远低于第一订单对应物。此外，我们使用像$ \ delta $类似的压缩（或稀疏）技术，以便进行通信效率。我们在包括近似（子采样）梯度和黑森州的若干环境下获得理论担保。此外，我们通过使用标准数据集和几种类型的拜占庭攻击进行实验验证了我们的理论调查结果，并在迭代复杂性中获得了25 \％$ 25 \％$的提高。

在数值线性代数社区中，建议要获得诸如等级计算等各种问题的几乎最佳边界，找到最大线性独立的列（基础），回归或低秩近似，自然方式是解决尼尔森和尼文森的主要开放问题（Focs，2013）。该问题关于现有的忽略子空间嵌入的草图维度的对数因子，实现了恒因子近似的嵌入。我们展示了如何使用精细的草图技术绕过这个问题，并获得这些问题的最佳或几乎最佳的范围。我们使用的关键技术是基于不确定原理和提取器的Indyk的明确映射，在首次应用已知的漏窃子空间嵌入后，允许我们快速展开载体的质量，以便采样现在有效。由此，我们避免了在使用矩阵Chernoff不平等的界限中是标准的草图维度的对数因子。对于排名计算的基本问题和找到基础，我们的算法改善了张，郭和刘（Jacm，2013），并且在恒因因子和多个（日志日志（n）） - 因子中是最佳的。此外，对于恒定因子回归和低秩近似，我们给出了当前矩阵乘法指数的第一个最佳算法。

Influence diagnostics such as influence functions and approximate maximum influence perturbations are popular in machine learning and in AI domain applications. Influence diagnostics are powerful statistical tools to identify influential datapoints or subsets of datapoints. We establish finite-sample statistical bounds, as well as computational complexity bounds, for influence functions and approximate maximum influence perturbations using efficient inverse-Hessian-vector product implementations. We illustrate our results with generalized linear models and large attention based models on synthetic and real data.

这项教程调查概述了统计学习理论中最新的非征血性进步与控制和系统识别相关。尽管在所有控制领域都取得了重大进展，但在线性系统的识别和学习线性二次调节器时，该理论是最发达的，这是本手稿的重点。从理论的角度来看，这些进步的大部分劳动都在适应现代高维统计和学习理论的工具。虽然与控制对机器学习的工具感兴趣的理论家高度相关，但基础材料并不总是容易访问。为了解决这个问题，我们提供了相关材料的独立介绍，概述了基于最新结果的所有关键思想和技术机械。我们还提出了许多开放问题和未来的方向。