In the framework of online convex optimization, most iterative algorithms require the computation of projections onto convex sets, which can be computationally expensive. To tackle this problem HK12 proposed the study of projection-free methods that replace projections with less expensive computations. The most common approach is based on the Frank-Wolfe method, that uses linear optimization computation in lieu of projections. Recent work by GK22 gave sublinear adaptive regret guarantees with projection free algorithms based on the Frank Wolfe approach. In this work we give projection-free algorithms that are based on a different technique, inspired by Mhammedi22, that replaces projections by set-membership computations. We propose a simple lazy gradient-based algorithm with a Minkowski regularization that attains near-optimal adaptive regret bounds. For general convex loss functions we improve previous adaptive regret bounds from $O(T^{3/4})$ to $O(\sqrt{T})$, and further to tight interval dependent bound $\tilde{O}(\sqrt{I})$ where $I$ denotes the interval length. For strongly convex functions we obtain the first poly-logarithmic adaptive regret bounds using a projection-free algorithm.

我们提出了用于在线凸优化（OCO）的新的有效\ textit {无投影}算法，在此，通过无投影，我们参考避免计算可行集合的算法，而是在可行的集合上进行计算，而是在不同的，潜在的更有效的牙文上转移。虽然大多数最先进的无投影算法基于\ textit {laste-the-the-leader}框架，但我们的算法从根本上不同，并且基于带有小说和小说和小说和小说的\ textit {在线渐变下降}算法计算所谓的\ textit {不可行的投影}的有效方法。结果，我们获得了第一个自然产生\ textit {自适应遗憾}的第一个无投影算法，即保证，即遗憾的界限持有W.R.T.序列的任何子间隙。具体而言，当假设可行集合的线性优化甲骨文（loo）时，在一系列长度$ t $上时，我们的算法保证$ o（t^{3/4}）$适应性遗憾和$ o（t ^{3/4}）$自适应预期遗憾，分别仅使用$ o（t）$调用对厕所的全面信息和强盗设置。这些界限匹配了当前的最新遗憾范围，用于基于loo的投影的OCO，它是\ textit {不自适应}。我们还考虑了一种新的自然环境，其中可行的集合可以通过分离的甲骨文访问。我们提出算法，使用总体$ o（t）$调用分离甲骨文，保证$ o（\ sqrt {t}）$自适应遗憾和$ o（t^{3/4}）$适应性预期的遗憾分别全面信息和匪徒设置。

在在线凸优化中，玩家旨在最大程度地减少对整个重复游戏中固定比较器的遗憾。最小化标准遗憾的算法可能会收敛到固定决策，这在改变或动态环境中是不受欢迎的。这激发了更强的适应性遗憾指标，或者及时对任何连续的次互相关的最大遗憾。现有的自适应遗憾算法受到计算罚款的损失 - 通常是按照乘法因素的顺序在游戏迭代次数中对数增长的。在本文中，我们展示了如何在游戏迭代次数中减少这种计算惩罚，以使其在游戏次数的数量中倍加对数，并且由于最佳可达到的适应性遗憾界限而减少了最小的降级。

在约束凸优化中，基于椭球体或切割平面方法的现有方法与环境空间的尺寸不符比展出。诸如投影梯度下降的替代方法，仅为诸如欧几里德球等简单凸起集提供的计算益处，其中可以有效地执行欧几里德投影。对于其他集合，投影的成本可能太高。为了规避这些问题，研究了基于着名的Frank-Wolfe算法的替代方法。这些方法在每次迭代时使用线性优化Oracle而不是欧几里德投影;前者通常可以有效地执行。此类方法还扩展到在线和随机优化设置。然而，对于一般凸套，弗兰克 - 沃尔夫算法及其变体不会在后悔或速率方面实现最佳性能。更重要的是，在某些情况下，他们使用的线性优化Oracle仍然可以计算得昂贵。在本文中，我们远离Frank-Wolfe风格的算法，并提出了一种新的减少，将任何在欧几里德球（其中投影廉价）上定义的任何算法的算法转移到球上包含的受限组C上的算法，而不牺牲原始算法的性能多大。我们的缩减需要O（t log t）在t回合后对C的成员资格Oracle调用，并且不需要对C的线性优化。使用我们的减少，我们恢复最佳遗憾界限[resp。在在线[RESP的迭代次数方面。随机]凸优化。当环境空间的尺寸大时，我们的保证在离线凸优化设置中也是有用的。

我们开发了一种使用无遗憾的游戏动态解决凸面优化问题的算法框架。通过转换最小化凸起函数以顺序方式解决Min-Max游戏的辅助问题的问题，我们可以考虑一系列必须在另一个之后选择其行动的两名员工的一系列策略。这些策略的常见选择是所谓的无悔的学习算法，我们描述了许多此类并证明了遗憾。然后，我们表明许多凸面优化的经典一阶方法 - 包括平均迭代梯度下降，弗兰克 - 沃尔夫算法，重球算法和Nesterov的加速方法 - 可以被解释为我们框架的特殊情况由于每个玩家都做出正确选择无悔的策略。证明该框架中的收敛速率变得非常简单，因为它们遵循适当已知的遗憾范围。我们的框架还引发了一些凸优化的特殊情况的许多新的一阶方法。

我们开发了一个修改的在线镜下降框架，该框架适用于在无界域中构建自适应和无参数的算法。我们利用这项技术来开发第一个不受限制的在线线性优化算法，从而达到了最佳的动态遗憾，我们进一步证明，基于以下规范化领导者的自然策略无法取得相似的结果。我们还将镜像下降框架应用于构建新的无参数隐式更新，以及简化和改进的无限规模算法。

在线优化是一个完善的优化范式，旨在鉴于对以前的决策任务的正确答案，旨在做出一系列正确的决策。二重编程涉及一个分层优化问题，其中所谓的外部问题的可行区域受内部问题的解决方案集映射的限制。本文将这两个想法汇总在一起，并研究了在线双层优化设置，其中一系列随时间变化的二聚体问题又一个接一个地揭示了一个。我们将已知的单层在线算法的已知遗憾界限扩展到双重设置。具体而言，我们引入了新的杂种遗憾概念，开发了一种在线交替的时间平均梯度方法，该方法能够利用光滑度，并根据内部和外部极型序列的长度提供遗憾的界限。

自适应梯度算法（例如Adagrad及其变体）在培训深神经网络方面已广受欢迎。尽管许多适合自适应方法的工作都集中在静态的遗憾上，作为实现良好遗憾保证的性能指标，但对这些方法的动态遗憾分析尚不清楚。与静态的遗憾相反，动态遗憾被认为是绩效测量的更强大的概念，因为它明确阐明了环境的非平稳性。在本文中，我们通过动态遗憾的概念在一个强大的凸面设置中浏览了Adagrad（称为M-Adagrad）的一种变体，该遗憾衡量了在线学习者的性能，而不是参考（最佳）解决方案，这可能会改变时间。我们证明了根据最小化序列的路径长度的束缚，该序列基本上反映了环境的非平稳性。此外，我们通过利用每个回合中学习者的多个访问权限来增强动态遗憾。经验结果表明，M-Adagrad在实践中也很好。

我们考虑在随机凸成本和状态和成本函数的全部反馈下控制未知线性动力学系统的问题。我们提出了一种计算高效的算法，该算法与最佳的稳定线性控制器相比，该算法达到了最佳的$ \ sqrt {t} $遗憾。与以前的工作相反，我们的算法基于面对不确定性范式的乐观情绪。这导致了大大改善的计算复杂性和更简单的分析。

我们在非静止环境中调查在线凸优化，然后选择\ emph {动态后悔}作为性能测量，定义为在线算法产生的累积损失与任何可行比较器序列之间的差异。让$ t $是$ p_t $ be的路径长度，基本上反映了环境的非平稳性，最先进的动态遗憾是$ \ mathcal {o}（\ sqrt {t（ 1 + p_t）}）$。虽然这一界限被证明是凸函数最佳的最低限度，但在本文中，我们证明可以进一步提高一些简单的问题实例的保证，特别是当在线功能平滑时。具体而言，我们提出了新的在线算法，可以利用平滑度并替换动态遗憾的$ t $替换依据\ {问题依赖性}数量：损耗函数梯度的变化，比较器序列的累积损失，以及比较器序列的累积损失最低术语的最低限度。这些数量是大多数$ \ mathcal {o}（t）$，良性环境中可能更小。因此，我们的结果适应了问题的内在难度，因为边界比现有结果更严格，以便在最坏的情况下保证相同的速率。值得注意的是，我们的算法只需要\ emph {一个}渐变，这与开发的方法共享相同的渐变查询复杂性，以优化静态遗憾。作为进一步的应用，我们将来自全信息设置的结果扩展到具有两点反馈的强盗凸优化，从而达到此类强盗任务的第一个相关的动态遗憾。

我们考虑非静止在线凸优化的框架，其中学习者寻求控制其动态遗憾，免于任意比较器序列。当损耗函数强烈凸或exy-yshave时，我们证明了强烈的自适应（SA）算法可以被视为在比较器序列的路径变化$ V_T $的路径变化中控制动态遗憾的原则方式。具体来说，我们展示了SA算法享受$ \ tilde o（\ sqrt {tv_t} \ vee \ log t）$和$ \ tilde o（\ sqrt {dtv_t} \ vee d \ log t）$动态遗憾强烈凸Exp-Trowave损失分别没有APRIORI $ v_t $。本发明进一步展示了原理方法的多功能性，在与高斯内核的界限线性预测器和在线回归的环境中进一步证明了原则方法。在一个相关的环境下，纸张的第二个组件解决了Zhdanov和Kalnishkan（2010）提出的一个开放问题，涉及与平方误差损失的在线内核回归。我们在一定处罚后悔的新下限，该遗憾地建立了在线内核Ridge回归（KRR）的近极低最低限度。我们的下限可以被视为vovk（2001）中派生的rkhs扩展，以便在有限维中在线线性回归。

众所周知，给定顺滑，界限 - 下面，并且可能的非透露函数，标准梯度的方法可以找到$ \ epsilon $ -stationary积分（渐变范围小于$ \ epsilon $）$ \ mathcal {O}（1 / \ epsilon ^ 2）$迭代。然而，许多重要的非渗透优化问题，例如与培训现代神经网络相关的问题，本质上是不平衡的，使这些结果不适用。在本文中，我们研究了来自Oracle复杂性视点的非透射性优化，其中假设算法仅向各个点处的函数提供访问。我们提供两个主要结果：首先，我们考虑越近$ \ epsilon $ -storationary积分的问题。这也许是找到$ \ epsilon $ -storationary积分的最自然的放松，这在非对象案例中是不可能的。我们证明，对于任何距离和epsilon $小于某些常数，无法有效地实现这种轻松的目标。我们的第二次结果涉及通过减少到平滑的优化来解决非光度非渗透优化的可能性：即，在光滑的近似值对目标函数的平滑近似下应用平滑的优化方法。对于这种方法，我们在温和的假设下证明了oracle复杂性和平滑度之间的固有权衡：一方面，可以非常有效地平滑非光滑非凸函数（例如，通过随机平滑），但具有尺寸依赖性因子在平滑度参数中，在插入标准平滑优化方法时，这会强烈影响迭代复杂性。另一方面，可以用合适的平滑方法消除这些尺寸因子，而是仅通过使平滑过程的Oracle复杂性呈指数大。

为了通过分布式在线学习中的本地光计算处理复杂的约束，最近的一项研究提出了一种称为分布式在线条件梯度（D-OCG）的无投影算法（D-OCG），并获得了$ O（T^{3/4}）$遗憾的是凸出损失，其中$ t $是总回合的数量。但是，它需要$ t $通信回合，并且不能利用强大的损失凸度。在本文中，我们提出了一个改进的D-OCG的变体，即D-BOCG，可以达到相同的$ O（t^{3/4}）$遗憾，只有$ o（\ sqrt {t}）$凸损失的通信回合，以及$ o（t^{2/3}（\ log t）^{1/3}）$的更好遗憾，少于$ o（t^{1/3}（\ log log） t）^{2/3}）$通信回合，以实现强烈凸出的损失。关键思想是采用延迟的更新机制，以降低通信复杂性，并重新定义D-OCG中的替代损失功能以利用强凸度。此外，我们提供了下限，以证明D-BOCG所需的$ O（\ sqrt {t}）$通信回合是最佳的（以$ t $为单位）实现$ O（T^{3/4} ）$遗憾带有凸损失，以及$ o（t^{1/3}（\ log t）^{2/3}）$ d-bocg所需的通信回合近距离）实现$ o（t^{2/3}（\ log t）^{1/3}）$遗憾的是，强烈凸出的损失归属于多凝集因子。最后，为了处理更具挑战性的强盗设置，其中只有损失值可用，我们将经典的单点梯度估计器纳入D-BOCG，并获得类似的理论保证。

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。

在线学习中，随机数据和对抗性数据是两个广泛研究的设置。但是许多优化任务都不是I.I.D.也不完全对抗，这使得对这些极端之间的世界有更好的理论理解具有根本的利益。在这项工作中，我们在在随机I.I.D.之间插值的环境中建立了在线凸优化的新颖遗憾界限。和完全的对抗损失。通过利用预期损失的平滑度，这些边界用梯度的方差取代对最大梯度长度的依赖，这是以前仅以线性损失而闻名的。此外，它们削弱了I.I.D.假设通过允许对抗中毒的回合，以前在专家和强盗设置中考虑过。我们的结果将其扩展到在线凸优化框架。在完全I.I.D.中情况，我们的界限与随机加速的结果相匹配，并且在完全对抗的情况下，它们优雅地恶化以符合Minimax的遗憾。我们进一步提供了下限，表明所有中级方案的遗憾上限都很紧张，从随机方差和损失梯度的对抗变异方面。

Projection operations are a typical computation bottleneck in online learning. In this paper, we enable projection-free online learning within the framework of Online Convex Optimization with Memory (OCO-M) -- OCO-M captures how the history of decisions affects the current outcome by allowing the online learning loss functions to depend on both current and past decisions. Particularly, we introduce the first projection-free meta-base learning algorithm with memory that minimizes dynamic regret, i.e., that minimizes the suboptimality against any sequence of time-varying decisions. We are motivated by artificial intelligence applications where autonomous agents need to adapt to time-varying environments in real-time, accounting for how past decisions affect the present. Examples of such applications are: online control of dynamical systems; statistical arbitrage; and time series prediction. The algorithm builds on the Online Frank-Wolfe (OFW) and Hedge algorithms. We demonstrate how our algorithm can be applied to the online control of linear time-varying systems in the presence of unpredictable process noise. To this end, we develop the first controller with memory and bounded dynamic regret against any optimal time-varying linear feedback control policy. We validate our algorithm in simulated scenarios of online control of linear time-invariant systems.

这项工作研究了凸和Lipschitz功能的在线零级优化。我们基于两个函数评估和$ \ ell_1 $ -sphere的随机化提出了一个新颖的梯度估计器。考虑到可行的集合和Lipschitz假设的不同几何形状，我们分析了在线双重平均算法的算法，代替了通常的梯度。我们考虑对零级甲骨文噪声的两种假设：取消噪声和对抗性噪声。我们提供任何时间和完全数据驱动的算法，它适应问题的所有参数。在文献中先前研究过的噪声的情况下，我们的保证可以比Duchi等人获得的最新界限可比性或更好。 （2015）和Shamir（2017）非自适应算法。我们的分析是基于在$ \ ell_1 $ -sphere上带有显式常数的均匀度量的新加权的Poincar \'e类型不等式，这可能具有独立的利益。

在随着时间变化的组合环境中的在线决策激励，我们研究了将离线算法转换为其在线对应物的问题。我们专注于使用贪婪算法对局部错误的贪婪算法进行恒定因子近似的离线组合问题。对于此类问题，我们提供了一个通用框架，该框架可有效地将稳健的贪婪算法转换为使用Blackwell的易近算法。我们证明，在完整信息设置下，由此产生的在线算法具有$ O（\ sqrt {t}）$（近似）遗憾。我们进一步介绍了Blackwell易接近性的强盗扩展，我们称之为Bandit Blackwell的可接近性。我们利用这一概念将贪婪的稳健离线算法转变为匪（t^{2/3}）$（近似）$（近似）的遗憾。展示了我们框架的灵活性，我们将脱机之间的转换应用于收入管理，市场设计和在线优化的几个问题，包括在线平台中的产品排名优化，拍卖中的储备价格优化以及supperular tossodular最大化。 。我们还将还原扩展到连续优化的类似贪婪的一阶方法，例如用于最大化连续强的DR单调下调功能，这些功能受到凸约束的约束。我们表明，当应用于这些应用程序时，我们的转型会导致新的后悔界限或改善当前已知界限。我们通过为我们的两个应用进行数值模拟来补充我们的理论研究，在这两种应用中，我们都观察到，转换的数值性能在实际情况下优于理论保证。

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 $1/\varepsilon$.

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。