Enhancing resilience in distributed networks in the face of malicious agents is an important problem for which many key theoretical results and applications require further development and characterization. This work focuses on the problem of distributed optimization in multi-agent cyberphysical systems, where a legitimate agent's dynamic is influenced both by the values it receives from potentially malicious neighboring agents, and by its own self-serving target function. We develop a new algorithmic and analytical framework to achieve resilience for the class of problems where stochastic values of trust between agents exist and can be exploited. In this case we show that convergence to the true global optimal point can be recovered, both in mean and almost surely, even in the presence of malicious agents. Furthermore, we provide expected convergence rate guarantees in the form of upper bounds on the expected squared distance to the optimal value. Finally, we present numerical results that validate the analytical convergence guarantees we present in this paper even when the malicious agents compose the majority of agents in the network.

在分散的学习中，节点网络协作以最小化通常是其本地目标的有限总和的整体目标函数，并结合了非平滑的正则化术语，以获得更好的泛化能力。分散的随机近端梯度（DSPG）方法通常用于培训这种类型的学习模型，而随机梯度的方差延迟了收敛速率。在本文中，我们提出了一种新颖的算法，即DPSVRG，通过利用方差减少技术来加速分散的训练。基本思想是在每个节点中引入估计器，该节点周期性地跟踪本地完整梯度，以校正每次迭代的随机梯度。通过将分散的算法转换为具有差异减少的集中内隙近端梯度算法，并控制错误序列的界限，我们证明了DPSVRG以o（1 / t）$的速率收敛于一般凸起目标加上非平滑术语以$ t $作为迭代的数量，而dspg以$ o（\ frac {1} {\ sqrt {t}}）$汇聚。我们对不同应用，网络拓扑和学习模型的实验表明，DPSVRG会收敛于DSPG的速度要快得多，DPSVRG的损耗功能与训练时期顺利降低。

我们考虑一个多代理网络，其中每个节点具有随机（本地）成本函数，这取决于该节点的决策变量和随机变量，并且进一步的相邻节点的判定变量是成对受约束的。网络具有总体目标函数，其在节点处的本地成本函数的预期值ack，以及网络的总体目标是将该聚合目标函数的最小化解决方案最小化为所有成对约束。这将在节点级别使用分散的信息和本地计算来实现，其中仅具有相邻节点允许的压缩信息的交换。该文件开发算法，并在节点上获得两个不同型号的本地信息可用性模型的性能界限：（i）样本反馈，其中每个节点可以直接访问局部随机变量的样本，以评估其本地成本，（ii）babrit反馈，其中无随机变量的样本不可用，但只有每个节点可用的两个随机点处的本地成本函数的值可用。对于两种模型，具有邻居之间的压缩通信，我们开发了分散的骑马点算法，从没有通信压缩的那些没有不同（符号意义）的表现;具体而言，我们表明，与全局最小值和违反约束的偏差是由$ \ mathcal {o}的大约限制（t ^ { - \ frac {1} {2}}）$和$ \ mathcal {o} （t ^ { - \ frac {1} {4}}）分别为$ t $是迭代次数。本文中提供的数值例子证实了这些界限并证明了所提出的方法的通信效率。

这项工作审查了旨在在通信约束下运行的自适应分布式学习策略。我们考虑一个代理网络，必须从持续观察流数据来解决在线优化问题。代理商实施了分布式合作策略，其中允许每个代理商与其邻居执行本地信息交换。为了应对通信约束，必须不可避免地压缩交换信息。我们提出了一种扩散策略，昵称为ACTC（适应 - 压缩 - 然后组合），其依赖于以下步骤：i）每个代理执行具有恒定步长大小的单独随机梯度更新的适应步骤; ii）一种压缩步骤，它利用最近引入的随机压缩操作员;和III）每个代理组合从其邻居接收的压缩更新的组合步骤。这项工作的区别要素如下。首先，我们专注于自适应策略，其中常数（而不是递减）阶梯大小对于实时响应非间断变化至关重要。其次，我们考虑一般的指导图表和左随机组合政策，使我们能够增强拓扑和学习之间的相互作用。第三，与对所有个人代理的成本职能承担强大的凸起的相关作品相比，我们只需要在网络水平的强大凸起，即使单个代理具有强凸的成本，剩余的代理商也不满足凸起成本。第四，我们专注于扩散（而不是共识）战略。在压缩信息的苛刻设置下，建立ACTC迭代在所需的优化器周围波动，在相邻代理之间交换的比特方面取得了显着的节省。

我们研究了随机近似的分散变体，这是一种数据驱动的方法，用于在嘈杂的测量中找到操作员的根。一个具有自己的操作员和数据观察的代理网络，合作地通过分散的通信图找到了聚合操作员的固定点。我们的主要贡献是在从马尔可夫过程中采样时在每个代理下观察到的数据时，对这种分散的随机近似方法提供有限的时间分析；这种缺乏独立性使迭代率偏向和（可能）无限。在相当标准的假设下，我们表明所提出方法的收敛速率与样本是独立的基本相同，仅由对数因子的差异而不同，该对数因素是说明了马尔可夫过程的混合时间。我们的分析中的关键思想是引入一种新型的Razumikhin-Lyapunov函数，该功能是由用于分析延迟普通微分方程的稳定性的一种动机。我们还讨论了拟议方法在多代理系统中许多有趣的学习问题上的应用。

机器学习已开始在许多应用中发挥核心作用。这些应用程序中的许多应用程序通常还涉及由于设计约束（例如多元系统）或计算/隐私原因（例如，在智能手机数据上学习），这些数据集分布在多个计算设备/机器上。这样的应用程序通常需要以分散的方式执行学习任务，其中没有直接连接到所有节点的中央服务器。在现实世界中的分散设置中，由于设备故障，网络攻击等，节点容易出现未发现的故障，这可能会崩溃非稳固的学习算法。本文的重点是在发生拜占庭失败的节点的存在下对分散学习的鲁棒化。拜占庭故障模型允许故障节点任意偏离其预期行为，从而确保设计最健壮的算法的设计。但是，与分布式学习相反，对分散学习中拜占庭式的弹性的研究仍处于起步阶段。特别是，现有的拜占庭式分散学习方法要么不能很好地扩展到大规模的机器学习模型，要么缺乏统计收敛性可确保有助于表征其概括错误。在本文中，引入了一个可扩展的，拜占庭式的分散的机器学习框架，称为拜占庭的分散梯度下降（桥梁）。本文中还提供了强烈凸出问题和一类非凸问题的算法和统计收敛保证。此外，使用大规模的分散学习实验来确定桥梁框架是可扩展的，并且为拜占庭式弹性凸和非convex学习提供了竞争结果。

我们研究了具有有限和结构的平滑非凸化优化问题的随机重新洗脱（RR）方法。虽然该方法在诸如神经网络的训练之类的实践中广泛利用，但其会聚行为仅在几个有限的环境中被理解。在本文中，在众所周知的Kurdyka-LojasiewiCz（KL）不等式下，我们建立了具有适当递减步长尺寸的RR的强极限点收敛结果，即，RR产生的整个迭代序列是会聚并会聚到单个静止点几乎肯定的感觉。 In addition, we derive the corresponding rate of convergence, depending on the KL exponent and the suitably selected diminishing step sizes.当KL指数在$ [0，\ FRAC12] $以$ [0，\ FRAC12] $时，收敛率以$ \ mathcal {o}（t ^ { - 1}）$的速率计算，以$ t $ counting迭代号。当KL指数属于$（\ FRAC12,1）$时，我们的派生收敛速率是FORM $ \ MATHCAL {O}（T ^ { - Q}）$，$ Q \ IN（0,1）$取决于在KL指数上。基于标准的KL不等式的收敛分析框架仅适用于具有某种阶段性的算法。我们对基于KL不等式的步长尺寸减少的非下降RR方法进行了新的收敛性分析，这概括了标准KL框架。我们总结了我们在非正式分析框架中的主要步骤和核心思想，这些框架是独立的兴趣。作为本框架的直接应用，我们还建立了类似的强极限点收敛结果，为重组的近端点法。

我们考虑分散的优化问题，其中许多代理通过在基础通信图上交换来最大程度地减少其本地功能的平均值。具体而言，我们将自己置于异步模型中，其中只有一个随机部分在每次迭代时执行计算，而信息交换可以在所有节点之间进行，并以不对称的方式进行。对于此设置，我们提出了一种算法，该算法结合了整个网络上梯度跟踪和差异的差异。这使每个节点能够跟踪目标函数梯度的平均值。我们的理论分析表明，在预期混合矩阵的轻度连通性条件下，当局部目标函数强烈凸面时，算法会汇聚。特别是，我们的结果不需要混合矩阵是双随机的。在实验中，我们研究了一种广播机制，该机制将信息从计算节点传输到其邻居，并确认我们方法在合成和现实世界数据集上的线性收敛性。

我们研究了多智能经纪增强学习的政策评估问题，其中一组代理商，共同观察到的国家和私人本地行动和奖励，协作，以通过连接的无向网络通过本地计算和通信学习给定策略的价值函数。各种大型多种代理系统中出现此问题，包括电网，智能交通系统，无线传感器网络和多代理机器人。当状态动作空间的尺寸大时，广泛使用具有线性函数近似的时间差异学习。在本文中，我们开发了一种新的分布式时间差异学习算法，量化其有限时间性能。我们的算法将分布式随机原始方法与基于同型的方法进行了自适应调整学习率的方法，以便通过从因果导轨轨迹中采用新鲜的在线样本来最小化平均投影的Bellman误差。我们明确考虑了采样的Markovian性质，并改善了从$ O（1 / \ sqrt {t}）$到〜$ o（1 / t）$的最佳已知的有限时间误差，其中$ t $迭代的总数。

在本文中，我们考虑了在$ N $代理的分布式优化问题，每个都具有本地成本函数，协作最小化连接网络上的本地成本函数的平均值。为了解决问题，我们提出了一种分布式随机重新洗脱（D-RR）算法，该算法结合了经典分布式梯度下降（DGD）方法和随机重新洗脱（RR）。我们表明D-RR继承了RR的优越性，以使光滑强凸和平的非凸起目标功能。特别是，对于平稳强凸的目标函数，D-RR在平方距离方面实现$ \ Mathcal {o}（1 / T ^ 2）$汇率（这里，$ t $计算迭代总数）在迭代和独特的最小化之间。当假设客观函数是平滑的非凸块并且具有Lipschitz连续组件函数时，我们将D-RR以$ \ Mathcal {O}的速率驱动到0美元的平方标准（1 / T ^ {2 / 3}）$。这些收敛结果与集中式RR（最多常数因素）匹配。

分散和联合学习的关键挑战之一是设计算法，这些算法有效地处理跨代理商的高度异构数据分布。在本文中，我们在数据异质性下重新审视分散的随机梯度下降算法（D-SGD）的分析。我们在D-SGD的收敛速率上展示了新数量的关键作用，称为\ emph {邻居异质性}。通过结合通信拓扑结构和异质性，我们的分析阐明了这两个分散学习中这两个概念之间的相互作用较低。然后，我们认为邻里的异质性提供了一种自然标准，可以学习数据依赖性拓扑结构，以减少（甚至可以消除）数据异质性对D-SGD收敛时间的有害影响。对于与标签偏度分类的重要情况，我们制定了学习这样一个良好拓扑的问题，例如我们使用Frank-Wolfe算法解决的可拖动优化问题。如一组模拟和现实世界实验所示，我们的方法提供了一种设计稀疏拓扑的方法，可以在数据异质性下平衡D-SGD的收敛速度和D-SGD的触电沟通成本。

Bilevel programming has recently received attention in the literature, due to a wide range of applications, including reinforcement learning and hyper-parameter optimization. However, it is widely assumed that the underlying bilevel optimization problem is solved either by a single machine or in the case of multiple machines connected in a star-shaped network, i.e., federated learning setting. The latter approach suffers from a high communication cost on the central node (e.g., parameter server) and exhibits privacy vulnerabilities. Hence, it is of interest to develop methods that solve bilevel optimization problems in a communication-efficient decentralized manner. To that end, this paper introduces a penalty function based decentralized algorithm with theoretical guarantees for this class of optimization problems. Specifically, a distributed alternating gradient-type algorithm for solving consensus bilevel programming over a decentralized network is developed. A key feature of the proposed algorithm is to estimate the hyper-gradient of the penalty function via decentralized computation of matrix-vector products and few vector communications, which is then integrated within our alternating algorithm to give the finite-time convergence analysis under different convexity assumptions. Owing to the generality of this complexity analysis, our result yields convergence rates for a wide variety of consensus problems including minimax and compositional optimization. Empirical results on both synthetic and real datasets demonstrate that the proposed method works well in practice.

在本文中，我们提出了一种一阶分布式优化算法，该算法对拜占庭式失败 - 肢体和潜在的对抗性行为非常强大，在该行为中，所有参与的药物都容易发生失败。我们随着时间的推移将每个代理的状态建模为两国马尔可夫链，该链在不同时间时指示拜占庭或可信赖的行为。我们在任何给定时间均未设置对拜占庭代理的最大数量的限制。我们根据三层防御设计我们的方法：1）时间稳健聚集，2）空间稳健聚集和3）梯度归一化。我们研究了两个用于随机优化的设置，即样品平均近似值和随机近似。我们提供了强烈凸出和平滑非凸成本功能的方法的收敛保证。

非平滑的有限和最小化是机器学习中的一个基本问题。本文开发了一种具有随机重新洗牌的分布式随机近端梯度算法，以解决随着时变多代理网络的有限和最小化。目标函数是可分辨率凸起功能的总和和非平滑的正则化。网络中的每个代理通过本地信息更新具有恒定步长大小的局部变量，并协作以寻求最佳解决方案。我们证明了所提出的算法产生的局部变量估计实现共识，并且与$ \ mathcal {o}（\ frac {1} {t} + \ frac {1} {\SQRT {T}}）$收敛率。此外，本文通过选择足够的阶梯尺寸，可以任意地小的目标函数的稳态误差。最后，提供了一些比较仿真来验证所提出的算法的收敛性能。

遗憾已被广泛用作评估分布式多代理系统在线优化算法的性能的首选指标。但是，与代理相关的数据/模型变化可以显着影响决策，并需要在代理之间达成共识。此外，大多数现有的作品都集中在开发（强烈或非严格地）凸出的方法上，对于一般非凸损失的分布式在线优化中的遗憾界限，几乎没有得到很少的结果。为了解决这两个问题，我们提出了一种新型的综合遗憾，并使用新的基于网络的基于遗憾的度量标准来评估分布式在线优化算法。我们具体地定义了复合遗憾的静态和动态形式。通过利用我们的综合遗憾的动态形式，我们开发了一种基于共识的在线归一化梯度（CONGD）的伪convex损失方法，事实证明，它显示了与最佳器路径变化的规律性术语有关的透明性行为。对于一般的非凸损失，我们首先阐明了基于最近进步的分布式在线非凸学习的遗憾，因此没有确定性算法可以实现sublinear的遗憾。然后，我们根据离线优化的Oracle开发了分布式的在线非凸优化（Dinoco），而无需进入梯度。迪诺科（Dinoco）被证明是统一的遗憾。据我们所知，这是对一般分布在线非convex学习的第一个遗憾。

通过使多个代理在缺乏中央协调员的情况下合作解决全球优化问题，分散的随机优化在像机器学习，控制和传感器网络这样的多种多样的领域中，人们的注意力越来越多。由于相关数据通常包含敏感信息，例如用户位置和个人身份，因此在实施分散的随机优化时，隐私保护已成为至关重要的需求。在本文中，我们提出了一种分散的随机优化算法，即使在存在与量化幅度成正比的积极量化误差的情况下，该算法也能够保证可证明的收敛精度。该结果同时适用于凸面和非凸目标函数，使我们能够利用积极的量化方案来混淆共享信息，因此可以在不失去可证明的优化精度的情况下进行隐私保护。实际上，通过使用将任何值量化为三个数值级别的任何值的{随机}三元量化方案，我们在分散的随机优化中实现了基于量化的严格差异隐私，以前尚未报告。结合提出的量化方案，提出的算法首次确保了分散的随机优化中的严格差异隐私，而不会失去可证明的收敛精度。分布式估计问题以及基准计算机学习数据集上分散学习的数值实验的仿真结果证实了所提出方法的有效性。

我们研究了在随机代理网络中的多功能加固学习（MARL）。目标是找到最大化（折扣）全球奖励的本地化政策。通常，可扩展性在此设置中是一个挑战，因为全局状态/动作空间的大小可以是代理的数量的指数。在依赖性是静态，固定和局部，例如，在固定的，时不变的底层图形的邻居之间，才知道可扩展算法。在这项工作中，我们提出了一个可扩展的演员评论家框架，适用于依赖关系可以是非本地和随机的设置，并提供有限误差绑定，显示了收敛速度如何取决于网络中的信息速度。另外，作为我们分析的副产物，我们获得了一般随机近似方案的新型有限时间收敛结果，以及具有状态聚合的时间差异学习，其超出了网络系统中的Marl的设置。

本文研究了协同多智能体增强学习（MARL）的分布式政策梯度，在通信网络上的代理人旨在找到最佳政策，以最大限度地提高所有代理人的当地返回的平均值。由于政策梯度的非凹形性能函数，用于凸面问题的现有分布式随机优化方法不能直接用于Marl中的政策梯度。本文提出了一种具有方差减少和渐变跟踪的分布式策略梯度，以解决政策梯度的高差，并利用重要的重量来解决采样过程中的非静止问题。然后，我们在平均平均固定间隙上提供一个上限，这取决于迭代的数量，迷你批量大小，秒钟大小，问题参数和网络拓扑。我们进一步建立了样本和通信复杂性，以获得$ \ epsilon $-upprymate静止点。对MARL控制问题的数值实验进行了验证了所提出算法的有效性。

本文考虑由马尔可夫噪声和一般共识型交互驱动的新型多代理线性随机近似算法，其中每个代理根据其本地随机近似过程演变，这取决于其邻居的信息。代理中的互连结构由时变的指向图描述。虽然已经研究了代理中的互连（至少在期望）中描述了基于协商的随机近似算法的收敛性，但是当互连矩阵简单地是随机时的情况，较少是已知的。对于任何相关的相互作用矩阵是随机的均匀强连接的图形序列，纸张导出平均误差上的有限时间界限，定义为算法从相关常微分方程的独特平衡点偏差。对于互连矩阵是随机的互连矩阵的情况，平衡点可以是在没有通信的情况下所有代理的局部均衡的任何未指明的凸起组合。考虑具有恒定和时差阶梯尺寸的情况。在需要凸起组合的情况下，任何对相邻代理之间的直平均值和相互作用可以是单向的，因此纸张不能以分布式方式实现双随机矩阵，提出了一种推挽和型分布式随机近似算法，通过利用随机矩阵的共识型算法利用分析和发展推送算法的新颖性，为时变梯度尺寸案例提供了其有限时间绑定。

在分布式深度学习的背景下，陈旧的权重或梯度的问题可能导致算法性能差。这个问题通常通过延迟耐受算法来解决，并在目标函数和步进尺寸上有一些温和的假设。在本文中，我们提出了一种不同的方法来开发一种新算法，称为$ \ textbf {p} $ redicting $ \ textbf {c} $ lipping $ \ textbf {a} $ synchronous $ \ textbf {s} textbf {g} $ radient $ \ textbf {d} $ escent（aka，pc-asgd）。具体而言，PC -ASGD有两个步骤 - $ \ textIt {预测步骤} $利用泰勒扩展利用梯度预测来减少过时的权重的稳固性，而$ \ textit {clivipping step} $选择性地降低了过时的权重，以减轻过时的权重他们的负面影响。引入权衡参数以平衡这两个步骤之间的影响。从理论上讲，考虑到平滑的物镜函数弱键和非凸的延迟延迟的延迟，我们介绍了收敛速率。还提出了一种实用的PC-ASGD变体，即采用条件来帮助确定权衡参数。对于经验验证，我们在两个基准数据集上使用两个深神经网络体系结构演示了该算法的性能。