许多现代的机器学习应用程序，例如多任务学习，都需要查找最佳模型参数来权衡多个可能相互冲突的目标功能。帕累托集的概念使我们能够专注于不能严格改进的（通常是无限的）模型集。但是，它不能为选择一个或几个特殊型号返回实际用户提供可行的程序。在本文中，我们考虑\ emph {在Pareto Set（Opt-In-Pareto）中进行优化，这是找到Pareto模型，以优化Pareto集中的额外参考标准函数。此功能可以编码从用户的特定偏好，也可以代表代表整个帕累托集的一组多元化的帕累托模型来代表一组多元化的帕累托模型。不幸的是，尽管是一个非常有用的框架，但在深度学习中，尤其是对于大规模，非凸面和非线性目标而言，对选择性pareto的有效算法已经很大程度上遗失了。一种幼稚的方法是将Riemannian歧管梯度下降应用于帕累托集，该片段由于需要对Hessian矩阵的本征估计而产生高计算成本。我们提出了一种一阶算法，该算法仅使用梯度信息近似求解pareto，具有高实用效率和理论上保证的收敛属性。从经验上讲，我们证明我们的方法在各种具有挑战性的多任务相关问题方面有效地工作。

二重优化（BO）可用于解决各种重要的机器学习问题，包括但不限于超参数优化，元学习，持续学习和增强学习。常规的BO方法需要通过与隐式分化的低级优化过程进行区分，这需要与Hessian矩阵相关的昂贵计算。最近，人们一直在寻求BO的一阶方法，但是迄今为止提出的方法对于大规模的深度学习应用程序往往是复杂且不切实际的。在这项工作中，我们提出了一种简单的一阶BO算法，仅取决于一阶梯度信息，不需要隐含的区别，并且对于大规模的非凸函数而言是实用和有效的。我们为提出的方法提供了非注重方法分析非凸目标的固定点，并提出了表明其出色实践绩效的经验结果。

在多任务学习（MTL）中，对联合模型进行了培训，可以同时对几个任务进行预测。联合培训降低了计算成本并提高数据效率；但是，由于这些不同任务的梯度可能需要冲突，因此训练MTL的联合模型通常比其相应的单任务对应人员产生的性能较低。减轻此问题的一种常见方法是使用特定的启发式方法将每个任务梯度组合到联合更新方向上。在本文中，我们建议将梯度组合步骤视为一个议价游戏，在该游戏中，任务就达成了有关参数更新联合方向的协议。在某些假设下，议价问题具有独特的解决方案，称为NASH讨价还价解决方案，我们建议将其用作多任务学习的原则方法。我们描述了一种新的MTL优化程序NASH-MTL，并为其收敛性得出了理论保证。从经验上讲，我们表明NASH-MTL在各个域中的多个MTL基准上实现了最新的结果。

近年来，已经开发出各种基于梯度的方法来解决机器学习和计算机视觉地区的双层优化（BLO）问题。然而，这些现有方法的理论正确性和实际有效性总是依赖于某些限制性条件（例如，下层单身，LLS），这在现实世界中可能很难满足。此外，以前的文献仅证明了基于其特定的迭代策略的理论结果，因此缺乏一般的配方，以统一分析不同梯度的BLO的收敛行为。在这项工作中，我们从乐观的双级视点制定BLOS，并建立一个名为Bi-Level血液血统聚合（BDA）的新梯度的算法框架，以部分地解决上述问题。具体而言，BDA提供模块化结构，以分级地聚合上层和下层子问题以生成我们的双级迭代动态。从理论上讲，我们建立了一般会聚分析模板，并导出了一种新的证据方法，以研究基于梯度的BLO方法的基本理论特性。此外，这项工作系统地探讨了BDA在不同优化场景中的收敛行为，即，考虑从解决近似子问题返回的各种解决方案质量（即，全局/本地/静止解决方案）。广泛的实验证明了我们的理论结果，并展示了所提出的超参数优化和元学习任务算法的优越性。源代码可在https://github.com/vis-opt-group/bda中获得。

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.

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。

Pareto Front Learning (PFL) was recently introduced as an effective approach to obtain a mapping function from a given trade-off vector to a solution on the Pareto front, which solves the multi-objective optimization (MOO) problem. Due to the inherent trade-off between conflicting objectives, PFL offers a flexible approach in many scenarios in which the decision makers can not specify the preference of one Pareto solution over another, and must switch between them depending on the situation. However, existing PFL methods ignore the relationship between the solutions during the optimization process, which hinders the quality of the obtained front. To overcome this issue, we propose a novel PFL framework namely \ourmodel, which employs a hypernetwork to generate multiple solutions from a set of diverse trade-off preferences and enhance the quality of the Pareto front by maximizing the Hypervolume indicator defined by these solutions. The experimental results on several MOO machine learning tasks show that the proposed framework significantly outperforms the baselines in producing the trade-off Pareto front.

二重优化发现在现代机器学习问题中发现了广泛的应用，例如超参数优化，神经体系结构搜索，元学习等。而具有独特的内部最小点（例如，内部功能是强烈凸的，都具有唯一的内在最小点）的理解，这是充分理解的，多个内部最小点的问题仍然是具有挑战性和开放的。为此问题设计的现有算法适用于限制情况，并且不能完全保证融合。在本文中，我们采用了双重优化的重新制定来限制优化，并通过原始的双二线优化（PDBO）算法解决了问题。 PDBO不仅解决了多个内部最小挑战，而且还具有完全一阶效率的情况，而无需涉及二阶Hessian和Jacobian计算，而不是大多数现有的基于梯度的二杆算法。我们进一步表征了PDBO的收敛速率，它是与多个内部最小值的双光线优化的第一个已知的非质合收敛保证。我们的实验证明了所提出的方法的预期性能。

Sharpness-Aware Minimization (SAM) is a highly effective regularization technique for improving the generalization of deep neural networks for various settings. However, the underlying working of SAM remains elusive because of various intriguing approximations in the theoretical characterizations. SAM intends to penalize a notion of sharpness of the model but implements a computationally efficient variant; moreover, a third notion of sharpness was used for proving generalization guarantees. The subtle differences in these notions of sharpness can indeed lead to significantly different empirical results. This paper rigorously nails down the exact sharpness notion that SAM regularizes and clarifies the underlying mechanism. We also show that the two steps of approximations in the original motivation of SAM individually lead to inaccurate local conclusions, but their combination accidentally reveals the correct effect, when full-batch gradients are applied. Furthermore, we also prove that the stochastic version of SAM in fact regularizes the third notion of sharpness mentioned above, which is most likely to be the preferred notion for practical performance. The key mechanism behind this intriguing phenomenon is the alignment between the gradient and the top eigenvector of Hessian when SAM is applied.

我们研究无限制的黎曼优化的免投影方法。特别是，我们提出了黎曼弗兰克 - 沃尔夫（RFW）方法。我们将RFW的非渐近收敛率分析为最佳（高音）凸起问题，以及非凸起目标的临界点。我们还提出了一种实用的设置，其中RFW可以获得线性收敛速度。作为一个具体的例子，我们将RFW专用于正定矩阵的歧管，并将其应用于两个任务：（i）计算矩阵几何平均值（riemannian质心）; （ii）计算Bures-Wasserstein重心。这两个任务都涉及大量凸间间隔约束，为此，我们表明RFW要求的Riemannian“线性”Oracle承认了闭合形式的解决方案;该结果可能是独立的兴趣。我们进一步专门从事RFW到特殊正交组，并表明这里也可以以封闭形式解决riemannian“线性”甲骨文。在这里，我们描述了数据矩阵同步的应用程序（促使问题）。我们补充了我们的理论结果，并对RFW对最先进的riemananian优化方法进行了实证比较，并观察到RFW竞争性地对计算黎曼心质的任务进行竞争性。

我们开发了快速算法和可靠软件，以凸出具有Relu激活功能的两层神经网络的凸优化。我们的工作利用了标准的重量罚款训练问题作为一组组-YELL_1 $调查的数据本地模型的凸重新印度，其中局部由多面体锥体约束强制执行。在零规范化的特殊情况下，我们表明此问题完全等同于凸“ Gated Relu”网络的不受约束的优化。对于非零正则化的问题，我们表明凸面式relu模型获得了RELU训练问题的数据依赖性近似范围。为了优化凸的重新制定，我们开发了一种加速的近端梯度方法和实用的增强拉格朗日求解器。我们表明，这些方法比针对非凸问题（例如SGD）和超越商业内部点求解器的标准训练启发式方法要快。在实验上，我们验证了我们的理论结果，探索组-ELL_1 $正则化路径，并对神经网络进行比例凸的优化，以在MNIST和CIFAR-10上进行图像分类。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

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。

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。

我们提出了两个连续分布之间的最佳传输方法（OT）问题的方法（x_1-x_0）] $在耦合$（x_0，x_1）$的集合中，其在$ x_0，x_1 $等于$ \ pi_0，\ pi_1 $上的边缘分布，其中$ c $是成本函数。我们的方法迭代地构建了一系列神经普通可区分的方程式（ODE），每个方程式（ODE）通过求解简单的无约束回归问题来学习，该问题可以单调地降低运输成本，同时自动保留边缘约束。这产生了一种单调的内部方法，该方法在有效耦合的集合中穿越以降低运输成本，从而将自身与大多数现有方法区分开来，从而强制执行耦合约束与外部。该方法的主要思想是从整流流程中获取的，最近的一种方法可以同时降低凸函数$ c $引起的整个运输成本（因此本质上是多目标），但并非量身定制以最大程度地减少特定的运输成本。我们的方法是整流流的单对象变体，可以保证为固定的，用户指定的凸成本函数$ c $解决OT问题。

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。

作为理解过度参数模型中梯度下降的隐式偏差的努力的一部分，有几个结果表明，如何将过份术模型上的训练轨迹理解为不同目标上的镜像。这里的主要结果是在称为通勤参数化的概念下对这种现象的表征，该概念涵盖了此设置中的所有先前结果。结果表明，具有任何通勤参数化的梯度流相当于具有相关Legendre函数的连续镜下降。相反，具有任何legendre函数的连续镜下降可以被视为具有相关通勤参数化的梯度流。后一个结果依赖于纳什的嵌入定理。

在评估目标时，在线优化嘈杂的功能需要在部署系统上进行实验，这是制造，机器人技术和许多其他功能的关键任务。通常，对安全输入的限制是未知的，我们只会获得嘈杂的信息，表明我们违反约束的距离有多近。但是，必须始终保证安全性，不仅是算法的最终输出。我们介绍了一种通用方法，用于在高维非线性随机优化问题中寻求一个固定点，其中在学习过程中保持安全至关重要。我们称为LB-SGD的方法是基于应用随机梯度下降（SGD），其精心选择的自适应步长大小到原始问题的对数屏障近似。我们通过一阶和零阶反馈提供了非凸，凸面和强键平滑约束问题的完整收敛分析。与现有方法相比，我们的方法通过维度可以更好地更新和比例。我们从经验上将样本复杂性和方法的计算成本比较现有的安全学习方法。除了合成基准测试之外，我们还证明了方法对在安全强化学习（RL）中政策搜索任务中最大程度地减少限制违规的有效性。

多目标优化（MOO）旨在同时优化多个冲突的目标，并在机器学习中发现了重要的应用，例如最大程度地减少分类损失和差异，以在处理不同的人群方面以保持公平。最佳性，进一步优化一个目标至少将至少损害另一个目标，而决策者需要全面探索多个Optima（称为Pareto Front），以确定一个最终解决方案。我们解决了寻找帕累托阵线的效率。首先，使用随机多偏差下降（SMGD）从头开始寻找前部，对于大型神经网络和数据集很昂贵。我们建议基于预测器 - 校正方法来探索帕累托阵线作为一些初始Optima的歧管。其次，对于每个探索步骤，预测变量求解一个大规模的线性系统，该系统在模型参数数量中二次缩放，并且需要一个反向传播来评估求解器的二阶Hessian-vector产品。我们提出了一个只能线性缩放的高斯 - 纽顿近似，并且只需要每次迭代的一阶内产物。这还允许在大约求解线性系统时，在微小和共轭梯度方法之间进行选择。这些创新使大型网络成为可能的预测器 - 校准。关于多目标（公平和准确性）错误信息检测任务的实验表明，1）预测器 - 矫正器方法可以在更少的时间内找到比或与SMGD更好或与SMGD相似的方法； 2）提出的一阶方法不会损害二阶方法识别的帕累托前沿的质量，同时进一步缩短了运行时间。

Theoretical properties of bilevel problems are well studied when the lower-level problem is strongly convex. In this work, we focus on bilevel optimization problems without the strong-convexity assumption. In these cases, we first show that the common local optimality measures such as KKT condition or regularization can lead to undesired consequences. Then, we aim to identify the mildest conditions that make bilevel problems tractable. We identify two classes of growth conditions on the lower-level objective that leads to continuity. Under these assumptions, we show that the local optimality of the bilevel problem can be defined via the Goldstein stationarity condition of the hyper-objective. We then propose the Inexact Gradient-Free Method (IGFM) to solve the bilevel problem, using an approximate zeroth order oracle that is of independent interest. Our non-asymptotic analysis demonstrates that the proposed method can find a $(\delta, \varepsilon)$ Goldstein stationary point for bilevel problems with a zeroth order oracle complexity that is polynomial in $d, 1/\delta$ and $1/\varepsilon$.