We analyze Newton's method with lazy Hessian updates for solving general possibly non-convex optimization problems. We propose to reuse a previously seen Hessian for several iterations while computing new gradients at each step of the method. This significantly reduces the overall arithmetical complexity of second-order optimization schemes. By using the cubic regularization technique, we establish fast global convergence of our method to a second-order stationary point, while the Hessian does not need to be updated each iteration. For convex problems, we justify global and local superlinear rates for lazy Newton steps with quadratic regularization, which is easier to compute. The optimal frequency for updating the Hessian is once every $d$ iterations, where $d$ is the dimension of the problem. This provably improves the total arithmetical complexity of second-order algorithms by a factor $\sqrt{d}$.

我们分析了牛顿方法的变体的性能，并通过二次正则化来解决复合凸最小化问题。在我们方法的每个步骤中，我们选择正规化参数与当前点的梯度标准的某些功率成正比。我们介绍了一个以h \ h \“第二或第三个衍生物的较旧连续性为特征的问题类别。然后，我们使用简单的自适应搜索步骤介绍该方法，允许自动调整问题类，并以最佳的全球复杂性界限，而无需知道问题的特定参数。特别是，对于Lipschitz连续第三个导数的函数类别，我们获得了全局$ o（1/k^3）$ rate，以前归因于三阶张量方法。功能是均匀凸的，我们证明我们方案的自动加速度是合理的，导致全局速率和局部超线性收敛。不同的速率（sublinear，linear和superlinear）之间的切换是自动的。同样，没有先验的先验需要了解参数。

我们介绍了一种牛顿型方法，可以从任何初始化和带有Lipschitz Hessians的任意凸面目标收敛。通过将立方规范化与某种自适应levenberg - Marquardt罚款合并来实现这一目标。特别地，我们表明由$ x ^ {k + 1} = x ^ k - \ bigl（\ nabla ^ 2 f（x ^ k）+ \ sqrt {h \ | \ nabla f（x ^ k）给出的迭代）\ |} \ mathbf {i} \ bigr）^ { - 1} \ nabla f（x ^ k）$，其中$ h> 0 $是一个常数，用$ \ mathcal {o}全球收敛（\ frac{1} {k ^ 2}）$率。我们的方法是牛顿方法的第一个变体，具有廉价迭代和可怕的全球融合。此外，我们证明当目的强烈凸起时，本地我们的方法会收敛超连续。为了提高方法的性能，我们提供了一种不需要超参数的线路搜索程序，并且可提供高效。

在本文中，我们研究并证明了拟牛顿算法的Broyden阶级的非渐近超线性收敛速率，包括Davidon - Fletcher - Powell（DFP）方法和泡沫 - 弗莱彻 - 夏诺（BFGS）方法。这些准牛顿方法的渐近超线性收敛率在文献中已经广泛研究，但它们明确的有限时间局部会聚率未得到充分调查。在本文中，我们为Broyden Quasi-Newton算法提供了有限时间（非渐近的）收敛分析，在目标函数强烈凸起的假设下，其梯度是Lipschitz连续的，并且其Hessian在最佳解决方案中连续连续。我们表明，在最佳解决方案的本地附近，DFP和BFGS生成的迭代以$（1 / k）^ {k / 2} $的超连线率收敛到最佳解决方案，其中$ k $是迭代次数。我们还证明了类似的本地超连线收敛结果，因为目标函数是自我协调的情况。几个数据集的数值实验证实了我们显式的收敛速度界限。我们的理论保证是第一个为准牛顿方法提供非渐近超线性收敛速率的效果之一。

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。

We consider minimizing a smooth and strongly convex objective function using a stochastic Newton method. At each iteration, the algorithm is given an oracle access to a stochastic estimate of the Hessian matrix. The oracle model includes popular algorithms such as Subsampled Newton and Newton Sketch. Despite using second-order information, these existing methods do not exhibit superlinear convergence, unless the stochastic noise is gradually reduced to zero during the iteration, which would lead to a computational blow-up in the per-iteration cost. We propose to address this limitation with Hessian averaging: instead of using the most recent Hessian estimate, our algorithm maintains an average of all the past estimates. This reduces the stochastic noise while avoiding the computational blow-up. We show that this scheme exhibits local $Q$-superlinear convergence with a non-asymptotic rate of $(\Upsilon\sqrt{\log (t)/t}\,)^{t}$, where $\Upsilon$ is proportional to the level of stochastic noise in the Hessian oracle. A potential drawback of this (uniform averaging) approach is that the averaged estimates contain Hessian information from the global phase of the method, i.e., before the iterates converge to a local neighborhood. This leads to a distortion that may substantially delay the superlinear convergence until long after the local neighborhood is reached. To address this drawback, we study a number of weighted averaging schemes that assign larger weights to recent Hessians, so that the superlinear convergence arises sooner, albeit with a slightly slower rate. Remarkably, we show that there exists a universal weighted averaging scheme that transitions to local convergence at an optimal stage, and still exhibits a superlinear convergence rate nearly (up to a logarithmic factor) matching that of uniform Hessian averaging.

This paper shows that a perturbed form of gradient descent converges to a second-order stationary point in a number iterations which depends only poly-logarithmically on dimension (i.e., it is almost "dimension-free"). The convergence rate of this procedure matches the wellknown convergence rate of gradient descent to first-order stationary points, up to log factors. When all saddle points are non-degenerate, all second-order stationary points are local minima, and our result thus shows that perturbed gradient descent can escape saddle points almost for free.Our results can be directly applied to many machine learning applications, including deep learning. As a particular concrete example of such an application, we show that our results can be used directly to establish sharp global convergence rates for matrix factorization. Our results rely on a novel characterization of the geometry around saddle points, which may be of independent interest to the non-convex optimization community.

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。

我们考虑使用梯度下降来最大程度地减少$ f（x）= \ phi（xx^{t}）$在$ n \ times r $因件矩阵$ x $上，其中$ \ phi是一种基础平稳凸成本函数定义了$ n \ times n $矩阵。虽然只能在合理的时间内发现只有二阶固定点$ x $，但如果$ x $的排名不足，则其排名不足证明其是全球最佳的。这种认证全球最优性的方式必然需要当前迭代$ x $的搜索等级$ r $，以相对于级别$ r^{\ star} $过度参数化。不幸的是，过度参数显着减慢了梯度下降的收敛性，从$ r = r = r = r^{\ star} $的线性速率到$ r> r> r> r> r^{\ star} $，即使$ \ phi $是$ \ phi $强烈凸。在本文中，我们提出了一项廉价的预处理，该预处理恢复了过度参数化的情况下梯度下降回到线性的收敛速率，同时也使在全局最小化器$ x^{\ star} $中可能不良条件变得不可知。

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.

我们提出了一种基于优化的基于优化的框架，用于计算差异私有M估算器以及构建差分私立置信区的新方法。首先，我们表明稳健的统计数据可以与嘈杂的梯度下降或嘈杂的牛顿方法结合使用，以便分别获得具有全局线性或二次收敛的最佳私人估算。我们在局部强大的凸起和自我协调下建立当地和全球融合保障，表明我们的私人估算变为对非私人M估计的几乎最佳附近的高概率。其次，我们通过构建我们私有M估计的渐近方差的差异私有估算来解决参数化推断的问题。这自然导致近​​似枢轴统计，用于构建置信区并进行假设检测。我们展示了偏置校正的有效性，以提高模拟中的小样本实证性能。我们说明了我们在若干数值例子中的方法的好处。

本文研究了拟牛顿方法求解强凸强凹鞍点问题（SPP）。我们提出了SPP一般贪婪Broyden族更新，其中有$明确的局部超线性收敛速度的变体{\mathcalØ}\大（\大（1\压裂{1}{N\卡帕^2}\大）^ {K（K-1）/ 2}\大）$，其中$N $是问题的尺寸，$ \卡帕$是条件数和$$ķ是迭代次数。设计和算法的分析是基于估计不定Hessian矩阵的平方，这是从在凸优化古典准牛顿方法的不同。我们还提出两个具体Broyden族算法与BFGS型和SR1型更新，其享受的$更快的局部收敛速度\mathcalØ\大（\大（1\压裂{1} {N}\大）^{K（K-1）/ 2}\大）$。

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？

在本文中，我们提出了SC-REG（自助正规化）来学习过共同的前馈神经网络来学习\ EMPH {牛顿递减}框架的二阶信息进行凸起问题。我们提出了具有自助正规化（得分-GGN）算法的广义高斯 - 牛顿，其每次接收到新输入批处理时都会更新网络参数。所提出的算法利用Hessian矩阵中的二阶信息的结构，从而减少训练计算开销。虽然我们的目前的分析仅考虑凸面的情况，但数值实验表明了我们在凸和非凸面设置下的方法和快速收敛的效率，这对基线一阶方法和准牛顿方法进行了比较。

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。

我们提供了新的基于梯度的方法，以便有效解决广泛的病态化优化问题。我们考虑最小化函数$ f：\ mathbb {r} ^ d \ lightarrow \ mathbb {r} $的问题，它是隐含的可分解的，作为$ m $未知的非交互方式的总和，强烈的凸起功能并提供方法这解决了这个问题，这些问题是缩放（最快的对数因子）作为组件的条件数量的平方根的乘积。这种复杂性绑定（我们证明几乎是最佳的）可以几乎指出的是加速梯度方法的几乎是指数的，这将作为$ F $的条件数量的平方根。此外，我们提供了求解该多尺度优化问题的随机异标变体的有效方法。而不是学习$ F $的分解（这将是过度昂贵的），而是我们的方法应用一个清洁递归“大步小步”交错标准方法。由此产生的算法使用$ \ tilde {\ mathcal {o}}（d m）$空间，在数字上稳定，并打开门以更细粒度的了解凸优化超出条件号的复杂性。

在本文中，我们考虑发现非凸锥优化的近似二阶固定点（SOSP），该点在仿射子空间和凸锥的交点上最小化了两倍的可微分函数。特别是，我们提出了一个基于牛顿 - 偶联的梯度（牛顿-CG）的障碍方法，用于查找$（\ epsilon，\ sqrt {\ epsilon}）$ - 此问题的SOSP。我们的方法不仅可以实现，而且还达到了$ {\ cal o}（\ epsilon^{ - 3/2}）$的迭代复杂性，它匹配找到$的二阶方法的最著名迭代复杂性（以找到$（\ epsilon，\ sqrt {\ epsilon}）$ - 无约束的非convex优化的sosp。$ \ widetilde {\ cal o}的操作复杂性（\ epsilon^{ - 3/2} \ min \ {也是为我们的方法建立的。

我们引入了一种降低尺寸的二阶方法（DRSOM），用于凸和非凸的不受约束优化。在类似信任区域的框架下，我们的方法保留了二阶方法的收敛性，同时仅在两个方向上使用Hessian-Vector产品。此外，计算开销仍然与一阶相当，例如梯度下降方法。我们证明该方法的复杂性为$ O（\ epsilon^{ - 3/2}）$，以满足子空间中的一阶和二阶条件。DRSOM的适用性和性能通过逻辑回归，$ L_2-L_P $最小化，传感器网络定位和神经网络培训的各种计算实验展示。对于神经网络，我们的初步实施似乎在训练准确性和迭代复杂性方面与包括SGD和ADAM在内的最先进的一阶方法获得了计算优势。

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。

在本文中，我们考虑了第一和二阶技术来解决机器学习中产生的连续优化问题。在一阶案例中，我们提出了一种从确定性或半确定性到随机二次正则化方法的转换框架。我们利用随机优化的两相性质提出了一种具有自适应采样和自适应步长的新型一阶算法。在二阶案例中，我们提出了一种新型随机阻尼L-BFGS方法，该方法可以在深度学习的高度非凸起背景下提高先前的算法。这两种算法都在众所周知的深度学习数据集上进行评估并表现出有希望的性能。