In this work we introduce a new optimisation method called SAGA in the spirit of SAG, SDCA, MISO and SVRG, a set of recently proposed incremental gradient algorithms with fast linear convergence rates. SAGA improves on the theory behind SAG and SVRG, with better theoretical convergence rates, and has support for composite objectives where a proximal operator is used on the regulariser. Unlike SDCA, SAGA supports non-strongly convex problems directly, and is adaptive to any inherent strong convexity of the problem. We give experimental results showing the effectiveness of our method.

我们提出了随机方差降低算法，以求解凸 - 凸座鞍点问题，单调变异不平等和单调夹杂物。我们的框架适用于Euclidean和Bregman设置中的外部，前向前后和前反向回复的方法。所有提出的方法都在与确定性的对应物相同的环境中收敛，并且它们要么匹配或改善了解决结构化的最低最大问题的最著名复杂性。我们的结果加强了变异不平等和最小化之间的差异之间的对应关系。我们还通过对矩阵游戏的数值评估来说明方法的改进。

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。

In this book chapter, we briefly describe the main components that constitute the gradient descent method and its accelerated and stochastic variants. We aim at explaining these components from a mathematical point of view, including theoretical and practical aspects, but at an elementary level. We will focus on basic variants of the gradient descent method and then extend our view to recent variants, especially variance-reduced stochastic gradient schemes (SGD). Our approach relies on revealing the structures presented inside the problem and the assumptions imposed on the objective function. Our convergence analysis unifies several known results and relies on a general, but elementary recursive expression. We have illustrated this analysis on several common schemes.

Is it possible for a first-order method, i.e., only first derivatives allowed, to be quadratically convergent? For univariate loss functions, the answer is yes -- the Steffensen method avoids second derivatives and is still quadratically convergent like Newton method. By incorporating an optimal step size we can even push its convergence order beyond quadratic to $1+\sqrt{2} \approx 2.414$. While such high convergence orders are a pointless overkill for a deterministic algorithm, they become rewarding when the algorithm is randomized for problems of massive sizes, as randomization invariably compromises convergence speed. We will introduce two adaptive learning rates inspired by the Steffensen method, intended for use in a stochastic optimization setting and requires no hyperparameter tuning aside from batch size. Extensive experiments show that they compare favorably with several existing first-order methods. When restricted to a quadratic objective, our stochastic Steffensen methods reduce to randomized Kaczmarz method -- note that this is not true for SGD or SLBFGS -- and thus we may also view our methods as a generalization of randomized Kaczmarz to arbitrary objectives.

我们考虑最小化三个凸功能的总和，其中第一个f是光滑的，第二个f是非平滑且可近的，第三个是与线性操作员L的非光滑近似函数的组成。此模板问题具有许多应用程序，有许多应用程序，有许多应用程序，，具有许多应用程序，，具有许多应用程序。例如，在图像处理和机器学习中。首先，我们为这个问题提出了一种新的原始偶算法，我们称之为PDDY。它是通过将davis-yin分裂应用于原始二重式产品空间中的单调包含的，在特定度量下，操作员在特定度量下是单调的。我们显示了三种现有算法（Condat-VU算法的两种形式） PD3O算法）具有相同的结构，因此PDDY是这种自洽的原始偶算法中的第四个丢失链接。这种表示可以简化收敛分析：它使我们能够总体上得出sublinear收敛速率，而线性收敛导致存在强凸度的存在。此外，在我们的广泛而灵活的分析框架内，我们提出了对算法的新随机概括，其中使用了Friancation降低F梯度的随机估计值，而不是真实的梯度。此外，我们作为pddy的特殊情况获得了线性收敛算法，用于在线性约束下最小化强凸功能f。我们讨论了其对分散优化的重要应用。

用于解决无约束光滑游戏的两个最突出的算法是经典随机梯度下降 - 上升（SGDA）和最近引入的随机共识优化（SCO）[Mescheder等，2017]。已知SGDA可以收敛到特定类别的游戏的静止点，但是当前的收敛分析需要有界方差假设。 SCO用于解决大规模对抗问题，但其收敛保证仅限于其确定性变体。在这项工作中，我们介绍了预期的共同胁迫条件，解释了它的好处，并在这种情况下提供了SGDA和SCO的第一次迭代收敛保证，以解决可能是非单调的一类随机变分不等式问题。我们将两种方法的线性会聚到解决方案的邻域时，当它们使用恒定的步长时，我们提出了富有识别的步骤化切换规则，以保证对确切解决方案的融合。此外，我们的收敛保证在任意抽样范式下担保，因此，我们对迷你匹配的复杂性进行了解。

最近，随机梯度下降（SGD）及其变体已成为机器学习（ML）问题大规模优化的主要方法。已经提出了各种策略来调整步骤尺寸，从自适应步骤大小到启发式方法，以更改每次迭代中的步骤大小。此外，动力已被广泛用于ML任务以加速训练过程。然而，我们对它们的理论理解存在差距。在这项工作中，我们开始通过为一些启发式优化方法提供正式保证并提出改进的算法来缩小这一差距。首先，我们分析了凸面和非凸口设置的Adagrad（延迟Adagrad）步骤大小的广义版本，这表明这些步骤尺寸允许算法自动适应随机梯度的噪声水平。我们首次显示延迟Adagrad的足够条件，以确保梯度几乎融合到零。此外，我们对延迟的Adagrad及其在非凸面设置中的动量变体进行了高概率分析。其次，我们用指数级和余弦的步骤分析了SGD，在经验上取得了成功，但缺乏理论支持。我们在平滑和非凸的设置中为它们提供了最初的收敛保证，有或没有polyak-{\ l} ojasiewicz（pl）条件。我们还显示了它们在PL条件下适应噪声的良好特性。第三，我们研究动量方法的最后迭代。我们证明了SGD的最后一个迭代的凸设置中的第一个下限，并以恒定的动量。此外，我们研究了一类跟随基于领先的领导者的动量算法，并随着动量和收缩的更新而增加。我们表明，他们的最后一个迭代具有最佳的收敛性，用于无约束的凸随机优化问题。

Bilevel优化是在机器学习的许多领域中最小化涉及另一个功能的价值函数的问题。在大规模的经验风险最小化设置中，样品数量很大，开发随机方法至关重要，而随机方法只能一次使用一些样品进行进展。但是，计算值函数的梯度涉及求解线性系统，这使得很难得出无偏的随机估计。为了克服这个问题，我们引入了一个新颖的框架，其中内部问题的解决方案，线性系统的解和主要变量同时发展。这些方向是作为总和写成的，使其直接得出无偏估计。我们方法的简单性使我们能够开发全球差异算法，其中所有变量的动力学都会降低差异。我们证明，萨巴（Saba）是我们框架中著名的传奇算法的改编，具有$ o（\ frac1t）$收敛速度，并且在polyak-lojasciewicz的假设下实现了线性收敛。这是验证这些属性之一的双光线优化的第一种随机算法。数值实验验证了我们方法的实用性。

我们在大规模设置中研究一类广义的线性程序（GLP），包括可能简单的非光滑凸规律器和简单的凸集合约束。通过将GLP作为等效凸凹入最大问题的重新介绍，我们表明问题中的线性结构可用于设计高效，可扩展的一阶算法，我们给出了名称\ EMPH {坐标线性方差减少}（\ textsc {clvr};发音为``clever''）。 \ textsc {clvr}是一种增量坐标方法，具有隐式方差差异，输出双变量迭代的\ emph {仿射组合}。 \ textsc {clvr}产生改善的复杂性结果（glp），这取决于（glp）中的线性约束矩阵的最大行标准而不是光谱标准。当正常化术语和约束是可分离的，\ textsc {clvr}承认有效的延迟更新策略，使其复杂性界限与（glp）中的线性约束矩阵的非零元素的数量而不是矩阵尺寸。我们表明，通过引入稀疏连接的辅助变量，可以将基于$ F $ -divergence和Wassersein指标的歧义组的分布稳健优化（DRO）问题进行重新重整为（GLP）。我们补充了我们的理论保证，具有验证我们算法的实际效果的数值实验，无论是在壁钟时间和数据次数方面。

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。

在过去的几年中，各种通信压缩技术已经出现为一个不可或缺的工具，有助于缓解分布式学习中的通信瓶颈。然而，尽管{\ em偏见}压缩机经常在实践中显示出卓越的性能，但与更多的研究和理解的{\ EM无偏见}压缩机相比，非常少见。在这项工作中，我们研究了三类偏置压缩操作员，其中两个是新的，并且它们在施加到（随机）梯度下降和分布（随机）梯度下降时的性能。我们首次展示偏置压缩机可以在单个节点和分布式设置中导致线性收敛速率。我们证明了具有错误反馈机制的分布式压缩SGD方法，享受ergodic速率$ \ mathcal {o} \ left（\ delta l \ exp [ - \ frac {\ mu k} {\ delta l}] + \ frac {（c + \ delta d）} {k \ mu} \右）$，其中$ \ delta \ ge1 $是一个压缩参数，它在应用更多压缩时增长，$ l $和$ \ mu $是平滑性和强凸常数，$ C $捕获随机渐变噪声（如果在每个节点上计算完整渐变，则$ C = 0 $如果在每个节点上计算），则$ D $以最佳（$ d = 0 $ for over参数化模型）捕获渐变的方差）。此外，通过对若干合成和经验的通信梯度分布的理论研究，我们阐明了为什么和通过多少偏置压缩机优于其无偏的变体。最后，我们提出了几种具有有希望理论担保和实际表现的新型偏置压缩机。

We present a new family of subgradient methods that dynamically incorporate knowledge of the geometry of the data observed in earlier iterations to perform more informative gradient-based learning. Metaphorically, the adaptation allows us to find needles in haystacks in the form of very predictive but rarely seen features. Our paradigm stems from recent advances in stochastic optimization and online learning which employ proximal functions to control the gradient steps of the algorithm. We describe and analyze an apparatus for adaptively modifying the proximal function, which significantly simplifies setting a learning rate and results in regret guarantees that are provably as good as the best proximal function that can be chosen in hindsight. We give several efficient algorithms for empirical risk minimization problems with common and important regularization functions and domain constraints. We experimentally study our theoretical analysis and show that adaptive subgradient methods outperform state-of-the-art, yet non-adaptive, subgradient algorithms.

受到Mishchenko等人（2022）的最新突破的启发，他们首次表明局部梯度步骤可以导致可证明的通信加速，我们提出了一种替代算法，该算法获得了与他们的方法相同的通信加速度（Proxsskip）。但是，我们的方法非常不同：它基于Chambolle和Pock（2011）的著名方法，并具有多种不平凡的修改：i）我们允许通过适当的强烈凸出功能的代理操作员进行不精确的计算。基于梯度的方法（例如，GD，Fast GD或FSFOM），ii）我们对双重更新步骤进行仔细的修改，以保留线性收敛。我们的一般结果为强凸孔座鞍点问题提供了新的最先进率，其双线性耦合为特征，其特征是双重功能缺乏平滑度。当应用于联邦学习时，我们获得了Proxskip的理论上更好的替代方案：我们的方法需要更少的本地步骤（$ O（\ kappa^{1/3}）$或$ o（\ kappa^{1/4}）$，与Proxskip的$ O（\ kappa^{1/2}）$相比，并执行确定性的本地步骤。像Proxskip一样，我们的方法可以应用于连接网络的优化，我们在这里也获得了理论改进。

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

我们提出了一种新颖的随机弗兰克 - 沃尔夫（又名条件梯度）算法，用于使用广义的线性预测/结构进行约束的平滑有限和最小化。这类问题包括稀疏，低级别或其他结构化约束的经验风险最小化。提出的方法易于实现，不需要阶梯尺寸调整，并且具有独立于数据集大小的恒定触电成本。此外，作为该方法的副产品，我们获得了Frank-Wolfe间隙的随机估计器，可以用作停止标准。根据设置，提出的方法匹配或改进了随机Frank-Wolfe算法的最佳计算保证。几个数据集上的基准强调了不同的策略，其中所提出的方法比相关方法表现出更快的经验收敛性。最后，我们在开源软件包中提供了所有考虑的方法的实现。

We study stochastic monotone inclusion problems, which widely appear in machine learning applications, including robust regression and adversarial learning. We propose novel variants of stochastic Halpern iteration with recursive variance reduction. In the cocoercive -- and more generally Lipschitz-monotone -- setup, our algorithm attains $\epsilon$ norm of the operator with $\mathcal{O}(\frac{1}{\epsilon^3})$ stochastic operator evaluations, which significantly improves over state of the art $\mathcal{O}(\frac{1}{\epsilon^4})$ stochastic operator evaluations required for existing monotone inclusion solvers applied to the same problem classes. We further show how to couple one of the proposed variants of stochastic Halpern iteration with a scheduled restart scheme to solve stochastic monotone inclusion problems with ${\mathcal{O}}(\frac{\log(1/\epsilon)}{\epsilon^2})$ stochastic operator evaluations under additional sharpness or strong monotonicity assumptions.

我们提供一种新型计算机辅助技术，用于系统地分析一阶方法进行优化。与以前的作品相比，该方法特别适用于处理汇总收敛速率和随机岩岩。该技术依赖于SEMIDEFINITE编程和潜在功能。它允许同时获得对这些算法的行为的最坏情况保证，并协助选择适当的参数来调整其最坏情况的性能。该技术也有益于舒适的紧密性保证，这意味着只有通过改变设置，才能提高不令人满意的结果。我们利用了在随机噪声性质的不同假设下分析了确定性和随机第一阶方法的方法。其中，我们对具有有界方差的非结构化噪声，在过度参数期预期最小化问题中产生的不同噪声模型，以及随机块坐标性下降方案。

广义自我符合是许多重要学习问题的目标功能中存在的关键属性。我们建立了一个简单的Frank-Wolfe变体的收敛速率，该变体使用开环步数策略$ \ gamma_t = 2/（t+2）$，获得了$ \ Mathcal {o}（1/t）$收敛率对于这类功能，就原始差距和弗兰克 - 沃尔夫差距而言，$ t $是迭代计数。这避免了使用二阶信息或估计以前工作的局部平滑度参数的需求。我们还显示了各种常见病例的收敛速率的提高，例如，当所考虑的可行区域均匀地凸或多面体时。

加速的近端算法（APPA），也称为“催化剂”，是从凸优化到近似近端计算（即正则最小化）的确定还原。这种减少在概念上是优雅的，可以保证强大的收敛速度。但是，这些速率具有多余的对数项，因此需要计算每个近端点至高精度。在这项工作中，我们提出了一个新颖的放松误差标准，用于加速近端点（recapp），以消除对高精度子问题解决方案的需求。我们将recapp应用于两个规范问题：有限的和最大结构的最小化。对于有限和问题，我们匹配了以前通过精心设计的问题特异性算法获得的最著名的复杂性。为了最大程度地减少$ \ max_y f（x，y）$，其中$ f $以$ x $为$ x $，而在$ y $中强烈concave，我们改进了受对数因素限制的最著名的（基于催化剂）。