本文研究了缺乏值得信赖的服务器/客户的联邦学习（FL）的问题。在此设置中，每个客户端都需要确保其自身数据的隐私，而无需依赖服务器或其他客户端。我们研究了本地差异隐私（LDP）并提供紧密的上限和下限，可以为LDP凸起/强凸的联合随机优化建立最小的最佳速率（最多ogarithms）。我们的利率与某些实际参数制度（免费私隐）相匹配最佳统计率）。其次，我们开发了一种新型时变嘈杂的SGD算法，导致与非I.I.D的第一个非普通LDP风险限制。客户。第三，我们考虑每个客户端损失功能的特殊情况，其中每个客户端的损失函数是与现有工程相比改善通信复杂性的加速的LDP流。我们还提供匹配的下限，建立凸/强凸设置算法的最优性。第四，使用安全的Shuffler匿名客户报告（但没有可信服务器），我们的算法达到了随机凸/强凸优化的最佳中央DP速率，从而同时在局部和中心模型中实现最优性。我们的上限量量化了网络通信可靠性在性能中的作用。

我们研究了私人（DP）随机优化（SO），其中包含非Lipschitz连续的离群值和损失函数的数据。迄今为止，DP上的绝大多数工作，因此假设损失是Lipschitz（即随机梯度均匀边界），并且它们的误差界限与损失的Lipschitz参数。尽管此假设很方便，但通常是不现实的：在需要隐私的许多实际问题中，数据可能包含异常值或无限制，导致某些随机梯度具有较大的规范。在这种情况下，Lipschitz参数可能过于较大，从而导致空虚的多余风险范围。因此，在最近的工作[WXDX20，KLZ22]上，我们做出了较弱的假设，即随机梯度已经限制了$ k $ - them-th Moments for Boy $ k \ geq 2 $。与DP Lipschitz上的作品相比，我们的多余风险量表与$ k $ 3的时刻限制，而不是损失的Lipschitz参数，从而在存在异常值的情况下允许速度明显更快。对于凸面和强烈凸出损失函数，我们提供了第一个渐近最佳的过量风险范围（最多可对数因素）。此外，与先前的作品[WXDX20，KLZ22]相反，我们的边界不需要损失函数是可区分的/平滑的。我们还设计了一种加速算法，该算法在线性时间内运行并提高了（与先前的工作相比），并且几乎最佳的过量风险因平滑损失而产生。此外，我们的工作是第一个解决非convex non-lipschitz损失功能的工作，以满足近端不平等现象。这涵盖了一些类别的神经网，以及其他实用模型。我们的近端PL算法几乎具有最佳的多余风险，几乎与强凸的下限相匹配。最后，我们提供了算法的洗牌DP变化，这些变化不需要受信任的策展人（例如，用于分布式学习）。

联邦学习（FL）是大规模分布式学习的范例，它面临两个关键挑战：（i）从高度异构的用户数据和（ii）保护参与用户的隐私的高效培训。在这项工作中，我们提出了一种新颖的流动方法（DP-SCaffold）来通过将差异隐私（DP）约束结合到流行的脚手架算法中来解决这两个挑战。我们专注于有挑战性的环境，用户在没有任何可信中介的情况下与“诚实但奇怪的”服务器沟通，这需要确保隐私不仅可以访问最终模型的第三方，而且还要对服务器观察所有用户通信。使用DP理论的高级结果，我们建立了凸面和非凸面目标算法的融合。我们的分析清楚地突出了数据异质性下的隐私式折衷，并且当局部更新的数量和异质性水平增长时，展示了在最先进的算法DP-Fedivg上的DP-Scaffold的优越性。我们的数值结果证实了我们的分析，并表明DP-Scaffold在实践中提供了重大的收益。

在本文中，我们重新审视了私人经验风险最小化（DP-erm）和差异私有随机凸优化（DP-SCO）的问题。我们表明，来自统计物理学（Langevin Exfusion（LD））的经过良好研究的连续时间算法同时为DP-SCO和DP-SCO提供了最佳的隐私/实用性权衡，$ \ epsilon $ -DP和$ $ \ epsilon $ -DP和$ （\ epsilon，\ delta）$ - dp均用于凸和强烈凸损失函数。我们为LD提供新的时间和尺寸独立统一稳定性，并使用我们为$ \ epsilon $ -DP提供相应的最佳超额人口风险保证。 $ \ epsilon $ -DP的DP-SCO保证的一个重要属性是，它们将非私人最佳界限匹配为$ \ epsilon \与\ infty $。在此过程中，我们提供了各种技术工具，这些工具可能引起独立的关注：i）在两个相邻数据集上运行损失功能时，一个新的r \'enyi Divergence绑定了LD，ii）最后一个过多的经验风险范围迭代LD，类似于Shamir和Zhang的嘈杂随机梯度下降（SGD）和iii）的LD，对LD进行了两期多余的风险分析，其中第一阶段是当扩散在任何合理意义上都没有在任何合理意义上融合到固定分布时，在第二阶段扩散已收敛到吉布斯分布的变体。我们的普遍性结果至关重要地依赖于LD的动力学。当它融合到固定分布时，我们获得了$ \ epsilon $ -DP的最佳界限。当它仅在很短的时间内运行$ \ propto 1/p $时，我们在$（\ epsilon，\ delta）$ -DP下获得最佳界限。在这里，$ p $是模型空间的维度。

我们提出并分析了算法，以解决用户级差分隐私约束下的一系列学习任务。用户级DP仅保证只保证个人样本的隐私，而是保护用户的整个贡献（$ M \ GE 1 $ Samples），而不是对信息泄漏提供更严格但更现实的保护。我们表明，对于高维平均估计，具有平稳损失，随机凸优化和学习假设类别的经验风险最小化，具有有限度量熵，隐私成本随着用户提供的$ O（1 / \ SQRT {M}）$减少更多样本。相比之下，在增加用户数量$ N $时，隐私成本以较快的价格降低（1 / n）$率。我们将这些结果与下界相提并论，显示了我们算法的最低限度估计和随机凸优化的算法。我们的算法依赖于私有平均估计的新颖技术，其任意维度与误差缩放为浓度半径$ \ tai $的分布而不是整个范围。

联合学习（FL）是机器学习的一个子领域，在该子机学习中，多个客户试图在通信约束下通过网络进行协作学习模型。我们考虑在二阶功能相似性条件和强凸度下联合优化的有限和联合优化，并提出了两种新算法：SVRP和催化的SVRP。这种二阶相似性条件最近越来越流行，并且在包括分布式统计学习和差异性经验风险最小化在内的许多应用中得到满足。第一种算法SVRP结合了近似随机点评估，客户采样和降低方差。我们表明，当功能相似性足够高时，SVRP是沟通有效的，并且在许多现有算法上取得了卓越的性能。我们的第二个算法，催化的SVRP，是SVRP的催化剂加速变体，在二阶相似性和强凸度下，现有的联合优化算法可实现更好的性能，并均匀地改善了现有的算法。在分析这些算法的过程中，我们提供了可能具有独立关注的随机近端方法（SPPM）的新分析。我们对SPPM的分析很简单，允许进行近似近端评估，不需要任何平滑度假设，并且在通信复杂性上比普通分布式随机梯度下降显示出明显的好处。

Federated Averaging (FEDAVG) has emerged as the algorithm of choice for federated learning due to its simplicity and low communication cost. However, in spite of recent research efforts, its performance is not fully understood. We obtain tight convergence rates for FEDAVG and prove that it suffers from 'client-drift' when the data is heterogeneous (non-iid), resulting in unstable and slow convergence.As a solution, we propose a new algorithm (SCAFFOLD) which uses control variates (variance reduction) to correct for the 'client-drift' in its local updates. We prove that SCAFFOLD requires significantly fewer communication rounds and is not affected by data heterogeneity or client sampling. Further, we show that (for quadratics) SCAFFOLD can take advantage of similarity in the client's data yielding even faster convergence. The latter is the first result to quantify the usefulness of local-steps in distributed optimization.

我们展示了一个联合学习框架，旨在强大地提供具有异构数据的各个客户端的良好预测性能。所提出的方法对基于SuperQualile的学习目标铰接，捕获异构客户端的误差分布的尾统计。我们提出了一种随机训练算法，其与联合平均步骤交织差异私人客户重新重量步骤。该提出的算法支持有限时间收敛保证，保证覆盖凸和非凸面设置。关于联邦学习的基准数据集的实验结果表明，我们的方法在平均误差方面与古典误差竞争，并且在误差的尾统计方面优于它们。

我们在差分隐私（DP）的约束下，用重型数据研究随机凸优化。大多数关于此问题的事先工作仅限于损耗功能是Lipschitz的情况。相反，正如王，肖，德拉达斯和徐\ Cite {wangxdx20}所引入的那样，假设渐变的分布已涉及$ k $ --th时刻，我们研究了一般凸损失功能。我们在集中DP下提供了改善的上限，用于凸起的凸起和强凸损失功能。一路上，我们在纯粹和集中的DP下获得了私人平均估计的私有平均估计的新算法。最后，我们证明了私有随机凸性优化的近乎匹配的下限，具有强凸损失和平均估计，显示纯净和浓缩的DP之间的新分离。

我们研究了凸面和非凸面设置的差异私有随机优化。对于凸面的情况，我们专注于非平滑通用线性损耗（GLL）的家庭。我们的$ \ ell_2 $ setting算法在近线性时间内实现了最佳的人口风险，而最知名的差异私有算法在超线性时间内运行。我们的$ \ ell_1 $ setting的算法具有近乎最佳的人口风险$ \ tilde {o} \ big（\ sqrt {\ frac {\ log {n \ log {d}} {n \ varepsilon} \ big）$，以及避免\ Cite {ASI：2021}的尺寸依赖性下限为一般非平滑凸损耗。在差别私有的非凸面设置中，我们提供了几种新算法，用于近似居住的人口风险。对于具有平稳损失和多面体约束的$ \ ell_1 $ tuce，我们提供第一个近乎尺寸的独立速率$ \ tilde o \ big（\ frac {\ log ^ {2/3} {d}} {{（n \ varepsilon）^ {1/3}}} \大）在线性时间。对于具有平滑损耗的约束$ \ ell_2 $ -case，我们获得了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/3}} + \ frac {d ^ { 1/5}} {（n \ varepsilon）^ {2/5}} \ big）$。最后，对于$ \ ell_2 $ -case，我们为{\ em非平滑弱凸}的第一种方法提供了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/4}} + \ FRAC {D ^ {1/6}} {（n \ varepsilon）^ {1/3}} \ big）$，它在$ d = o（\ sqrt {n}）时匹配最好的现有非私有算法$。我们还将上面的所有结果扩展到Non-Convex $ \ ell_2 $ setting到$ \ ell_p $ setting，其中$ 1 <p \ leq 2 $，只有polylogarithmic（维度在尺寸）的速度下。

联邦学习（FL）是一种越来越受欢迎的机器学习范式，其中多个节点在隐私，通信和多个异质性约束下尝试协同学习。联邦学习中的持续存在问题是，不清楚优化目标应该：监督学习的标准平均风险最小化在处理联合学习的几个主要限制方面是不充分的，例如沟通适应性和个性化控制。我们在联合学习的框架中识别几个关键的Desiderata，并介绍了一个新的框架，Flix，考虑到联合学习所带来的独特挑战。 Flix具有标准的有限和形式，使从业者能够利用分布式优化的现有（潜在非本地）方法的巨大财富。通过不需要任何通信的智能初始化，Flix不需要使用本地步骤，但仍然可以通过本地方法执行不一致的正则化。我们提供了几种用于在通信约束下有效解决FLIX制剂的算法。最后，我们通过广泛的实验证实了我们的理论结果。

We introduce a new tool for stochastic convex optimization (SCO): a Reweighted Stochastic Query (ReSQue) estimator for the gradient of a function convolved with a (Gaussian) probability density. Combining ReSQue with recent advances in ball oracle acceleration [CJJJLST20, ACJJS21], we develop algorithms achieving state-of-the-art complexities for SCO in parallel and private settings. For a SCO objective constrained to the unit ball in $\mathbb{R}^d$, we obtain the following results (up to polylogarithmic factors). We give a parallel algorithm obtaining optimization error $\epsilon_{\text{opt}}$ with $d^{1/3}\epsilon_{\text{opt}}^{-2/3}$ gradient oracle query depth and $d^{1/3}\epsilon_{\text{opt}}^{-2/3} + \epsilon_{\text{opt}}^{-2}$ gradient queries in total, assuming access to a bounded-variance stochastic gradient estimator. For $\epsilon_{\text{opt}} \in [d^{-1}, d^{-1/4}]$, our algorithm matches the state-of-the-art oracle depth of [BJLLS19] while maintaining the optimal total work of stochastic gradient descent. We give an $(\epsilon_{\text{dp}}, \delta)$-differentially private algorithm which, given $n$ samples of Lipschitz loss functions, obtains near-optimal optimization error and makes $\min(n, n^2\epsilon_{\text{dp}}^2 d^{-1}) + \min(n^{4/3}\epsilon_{\text{dp}}^{1/3}, (nd)^{2/3}\epsilon_{\text{dp}}^{-1})$ queries to the gradients of these functions. In the regime $d \le n \epsilon_{\text{dp}}^{2}$, where privacy comes at no cost in terms of the optimal loss up to constants, our algorithm uses $n + (nd)^{2/3}\epsilon_{\text{dp}}^{-1}$ queries and improves recent advancements of [KLL21, AFKT21]. In the moderately low-dimensional setting $d \le \sqrt n \epsilon_{\text{dp}}^{3/2}$, our query complexity is near-linear.

我们提出了一种联邦平均Langevin算法（FA-LD），用于不确定量化和与分布式客户端的平均预测。特别是，我们概括了正常的后验分布，并考虑一般的模型。我们为FA-LD为具有非I.I.D数据的强烈凹入分布的理论保障，并研究了注入的噪声和随机梯度噪声如何，数据的异质性以及不同的学习率影响收敛性。这样的分析揭示了最佳选择的本地更新，以最大限度地减少通信成本。对于我们的方法很重要，即通信效率不会与Langevin算法中的注入噪声恶化。此外，我们在我们的FA-LD算法中审视了不同客户端使用的独立和相关噪声。我们遵守联邦和沟通成本之间的权衡也在那里。由于本地设备在联合网络中可能处于非活动状态，我们还基于仅可用的部分设备更新的不同平均方案来显示收敛结果。

为了在带宽洪泛环境（例如无线网络）中启用大规模的机器学习，最近在设计借助通信压缩的帮助下，最近在设计沟通效率的联合学习算法方面取得了重大进展。另一方面，隐私保护，尤其是在客户层面上，是另一个重要的避税，在存在高级通信压缩技术的情况下尚未同时解决。在本文中，我们提出了一个统一的框架，以通过沟通压缩提高私人联邦学习的沟通效率。利用通用压缩操作员和局部差异隐私，我们首先检查了一种简单的算法，该算法将压缩直接应用于差异私密的随机梯度下降，并确定其局限性。然后，我们为私人联合学习提出了一个统一的框架Soteriafl，该框架适应了一般的局部梯度估计剂家庭，包括流行的随机方差减少梯度方法和最先进的变化压缩方案。我们在隐私，公用事业和沟通复杂性方面提供了其性能权衡的全面表征，在这种情况下，Soterafl被证明可以在不牺牲隐私或实用性的情况下实现更好的沟通复杂性，而不是其他私人联合联盟学习算法而没有沟通压缩。

联邦平均（FedAVG），也称为本地SGD，是联邦学习中最受欢迎的算法之一（FL）。尽管其简单和普及，但到目前为止，FADVG的收敛速率尚未确定。即使在最简单的假设（凸，平滑，均匀和有界协方差）下，最着名的上限和下限也不匹配，目前尚不清楚现有分析是否捕获算法的容量。在这项工作中，我们首先通过为FedAVG提供与现有的上限相匹配的下限来解决这个问题，这表明现有的FADVG上限分析不可易于解决。另外，我们在异构环境中建立一个下限，几乎与现有的上限相匹配。虽然我们的下限显示了FEDAVG的局限性，但在额外的三阶平滑度下，我们证明了更乐观的最先进的收敛导致凸和非凸面设置。我们的分析源于我们呼叫迭代偏置的概念，这由SGD轨迹的期望从具有相同初始化的无噪声梯度下降轨迹的偏差来定义。我们在此数量上证明了新颖的尖锐边界，并直观地显示了如何从随机微分方程（SDE）的角度来分析该数量。

大规模的机器学习系统通常涉及分布在用户集合中的数据。联合学习算法通过将模型更新传达给中央服务器而不是整个数据集来利用此结构。在本文中，我们研究了一个个性化联合学习设置的随机优化算法，涉及符合用户级别（联合）差异隐私的本地和全球模型。在学习私人全球模型的同时，促进了隐私成本，但本地学习是完全私人的。我们提供概括保证，表明与私人集中学习协调本地学习可以产生一种普遍有用和改进的精度和隐私之间的权衡。我们通过有关合成和现实世界数据集的实验来说明我们的理论结果。

作为标准本地模型和中央模型之间的中间信任模型，差异隐私的洗牌模型已引起了人们的极大兴趣[EFMRTT19；CSUZZ19]。该模型的关键结果是，随机洗牌本地随机数据放大了差异隐私保证。这种放大意味着对数据匿名贡献的系统提供了更大的隐私保证[BEMMRLRKTS17]。在这项工作中，我们通过在理论和数字上逐渐改造结果来改善最新隐私放大的状态。我们的第一个贡献是对LDP Randomizers洗牌输出的R \'enyi差异隐私参数的首次渐近最佳分析。我们的第二个贡献是通过改组对隐私放大的新分析。该分析改进了[FMT20]的技术，并导致所有参数设置中的数值范围更紧密。

FEDPROX算法是一种简单但功能强大的分布式近端优化方法，广泛用于联合学习（FL）而不是异质数据。尽管在实践中看到了它的知名度和杰出的成功，但对FEDPROX的理论理解在很大程度上是不足的：FedProx的吸引人的融合行为迄今在某些非标准和不切实际的地方功能的差异假设下的特征是，结果的优化仅限于优化的限制。问题。为了解决这些缺陷，我们通过算法稳定性的镜头开发了FedProx及其Minibatch随机扩展的新型局部差异不变理论。结果，我们有助于得出对FedProx的几个新的和更深入的见解，以实现联合优化的非凸面，包括：1）收敛确保独立于局部差异类型条件； 2）融合保证非平滑FL问题； 3）关于Minibatch的尺寸和采样设备的数量，线性加速。我们的理论首次揭示了局部差异和平稳性对于FedProx获得有利的复杂性界限并不是必备的。据报道，一系列基准FL数据集的初步实验结果证明了小型匹配以提高FEDPROX的样品效率的好处。

了解现代机器学习设置中的概括一直是统计学习理论的主要挑战之一。在这种情况下，近年来见证了各种泛化范围的发展，表明了不同的复杂性概念，例如数据样本和算法输出之间的相互信息，假设空间的可压缩性以及假设空间的分形维度。尽管这些界限从不同角度照亮了手头的问题，但它们建议的复杂性概念似乎似乎无关，从而限制了它们的高级影响。在这项研究中，我们通过速率理论的镜头证明了新的概括界定，并明确地将相互信息，可压缩性和分形维度的概念联系起来。我们的方法包括（i）通过使用源编码概念来定义可压缩性的广义概念，（ii）表明“压缩错误率”可以与预期和高概率相关。我们表明，在“无损压缩”设置中，我们恢复并改善了现有的基于信息的界限，而“有损压缩”方案使我们能够将概括与速率延伸维度联系起来，这是分形维度的特定概念。我们的结果为概括带来了更统一的观点，并打开了几个未来的研究方向。

标准联合优化方法成功地适用于单层结构的随机问题。然而，许多当代的ML问题 - 包括对抗性鲁棒性，超参数调整和参与者 - 批判性 - 属于嵌套的双层编程，这些编程包含微型型和组成优化。在这项工作中，我们提出了\ fedblo：一种联合交替的随机梯度方法来解决一般的嵌套问题。我们在存在异质数据的情况下为\ fedblo建立了可证明的收敛速率，并引入了二聚体，最小值和组成优化的变化。\ fedblo引入了多种创新，包括联邦高级计算和降低方差，以解决内部级别的异质性。我们通过有关超参数\＆超代理学习和最小值优化的实验来补充我们的理论，以证明我们方法在实践中的好处。代码可在https://github.com/ucr-optml/fednest上找到。