鉴于Vanilla SGD的直接简单，本文在迷你批处理箱中提供了精细调整其阶梯尺寸。为了这样做，基于局部二次模型并仅使用嘈杂的梯度近似来估计曲率。一个人获得一种新的随机第一阶方法（步骤调谐的SGD），由二阶信息增强，这可以被视为古典Barzilai-Borwein方法的随机版本。我们的理论结果确保了几乎肯定的趋同集，我们提供了收敛速率。深度剩余网络培训的实验说明了我们方法的有利性质。对于我们在培训期间观察到的网络，突然下降的损失和中等阶段的测试精度的提高，产生比SGD，RMSPROP或ADAM更好的结果。

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。

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。

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。

We show that parametric models trained by a stochastic gradient method (SGM) with few iterations have vanishing generalization error. We prove our results by arguing that SGM is algorithmically stable in the sense of Bousquet and Elisseeff. Our analysis only employs elementary tools from convex and continuous optimization. We derive stability bounds for both convex and non-convex optimization under standard Lipschitz and smoothness assumptions.Applying our results to the convex case, we provide new insights for why multiple epochs of stochastic gradient methods generalize well in practice. In the non-convex case, we give a new interpretation of common practices in neural networks, and formally show that popular techniques for training large deep models are indeed stability-promoting. Our findings conceptually underscore the importance of reducing training time beyond its obvious benefit.

在这项工作中，我们提出了新的自适应步长策略，以改善几种随机梯度方法。我们的第一种方法（停止）基于经典的Polyak步长（Polyak，1987），是随机优化SPS（Loizou等，2021）的最新开发的延伸，我们的第二种方法，以及我们的第二种方法表示毕业生，通过“随机梯度的多样性”重新缩放步长。我们对这些方法进行了理论分析，以实现强烈凸平的光滑功能，并表明尽管随机梯度随机梯度，它们仍享有确定性的速率。此外，我们证明了自适应方法对二次目标的理论优势。不幸的是，两个停止和毕业生都取决于未知数量，这仅适用于过度散光模型。为了解决这个问题，我们放弃了这种不希望的依赖性，并重新定义了停止和毕业生的停止和毕业。我们表明，这些新方法在相同的假设下线性收敛到最佳解决方案的邻域。最后，我们通过实验验证来证实我们的理论主张，这表明GRAD对于深度学习优化特别有用。

随机梯度下降方法及其变体构成了实现机器学习问题的良好收敛速率的核心优化算法。尤其获得这些速率，特别是当这些算法用于手头的应用程序进行微调时。虽然这种调整过程可能需要大的计算成本，但最近的工作表明，通过线路搜索方法可以减少这些成本，可以迭代调整步骤。我们通过使用基于前向步骤模型建筑的新算法提出了一种替代方法来转移到随机线路搜索。该模型构建步骤包含了二阶信息，允许不仅调整步骤，还可以调整搜索方向。注意到深度学习模型参数分组（张量层），我们的方法构建其模型，并计算每个参数组的新步骤。这种新颖的对角化方法使所选择的步长自适应。我们提供收敛率分析，并通过实验表明，在大多数问题中，所提出的算法在大多数问题中实现更快的收敛性和更好的概括。此外，我们的实验表明，该方法的方法非常强大，因为它会收敛于各种初始步骤。

我们介绍和分析结构化的随机零订单下降（S-SZD），这是一种有限的差异方法，该方法在一组$ l \ leq d $正交方向上近似于随机梯度，其中$ d $是环境空间的维度。这些方向是随机选择的，并且可能在每个步骤中发生变化。对于平滑的凸功能，我们几乎可以确保迭代的收敛性和对$ o（d/l k^{ - c}）$的功能值的收敛速率，每$ c <1/2 $，这是任意关闭的就迭代次数而言，是随机梯度下降（SGD）。我们的界限还显示了使用$ l $多个方向而不是一个方向的好处。对于满足polyak-{\ l} ojasiewicz条件的非convex函数，我们在这种假设下建立了随机Zeroth Order Order Order算法的第一个收敛速率。我们在数值模拟中证实了我们的理论发现，在数值模拟中，满足假设以及对超参数优化的现实世界问题，观察到S-SZD具有很好的实践性能。

这项工作研究了基于梯度的算法的现有理论分析与训练深神经网络的实践之间的深刻断开。具体而言，我们提供了数值证据，表明在大规模神经网络训练（例如Imagenet + Resnet101和WT103 + Transformerxl模型）中，神经网络的权重不会融合到损失的梯度为零的固定点。然而，值得注意的是，我们观察到，即使权重不融合到固定点，最小化损耗函数的进展和训练损失稳定下来。受到这一观察的启发，我们提出了一种基于动力学系统的千古理论来解释它的新观点。我们没有研究权重演化，而是研究权重分布的演变。我们证明了权重分布到近似不变的度量，从而解释了训练损失如何稳定而无需重合到固定点。我们进一步讨论了这种观点如何更好地调整优化理论与机器学习实践中的经验观察。

我们研究了一类算法，用于在内部级别物镜强烈凸起时求解随机和确定性设置中的彼此优化问题。具体地，我们考虑基于不精确的隐含区分的算法，并且我们利用热门开始策略来摊销精确梯度的估计。然后，我们介绍了一个统一的理论框架，受到奇异的扰动系统（Habets，1974）的研究来分析这种摊销算法。通过使用此框架，我们的分析显示了匹配可以访问梯度无偏见估计的Oracle方法的计算复杂度的算法，从而优于彼此优化的许多现有结果。我们在合成实验中说明了这些发现，并展示了这些算法对涉及几千个变量的超参数优化实验的效率。

Motivated by neural network training in low-bit floating and fixed-point environments, this work studies the convergence of variants of SGD with computational error. Considering a general stochastic Lipschitz continuous loss function, a novel convergence result to a Clarke stationary point is presented assuming that only an approximation of its stochastic gradient can be computed as well as error in computing the SGD step itself. Different variants of SGD are then tested empirically in a variety of low-precision arithmetic environments, with improved test set accuracy achieved compared to SGD for two image recognition tasks.

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。

深度神经网络和其他现代机器学习模型的培训通常包括解决高维且受大规模数据约束的非凸优化问题。在这里，基于动量的随机优化算法在近年来变得尤其流行。随机性来自数据亚采样，从而降低了计算成本。此外，动量和随机性都应该有助于算法克服当地的最小化器，并希望在全球范围内融合。从理论上讲，这种随机性和动量的结合被糟糕地理解。在这项工作中，我们建议并分析具有动量的随机梯度下降的连续时间模型。该模型是一个分段确定的马尔可夫过程，它通过阻尼不足的动态系统和通过动力学系统的随机切换来代表粒子运动。在我们的分析中，我们研究了长期限制，子采样到无填充采样极限以及动量到非摩托车的限制。我们对随着时间的推移降低动量的情况特别感兴趣：直觉上，动量有助于在算法的初始阶段克服局部最小值，但禁止后来快速收敛到全球最小化器。在凸度的假设下，当降低随时间的动量时，我们显示了动力学系统与全局最小化器的收敛性，并让子采样率转移到无穷大。然后，我们提出了一个稳定的，合成的离散方案，以从我们的连续时间动力学系统中构造算法。在数值实验中，我们研究了我们在凸面和非凸测试问题中的离散方案。此外，我们训练卷积神经网络解决CIFAR-10图像分类问题。在这里，与动量相比，我们的算法与随机梯度下降相比达到了竞争性结果。

有限和最小化的方差减少（VR）方法通常需要对往复且难以估计的问题依赖性常数的知识。为了解决这个问题，我们使用自适应梯度方法的想法来提出ADASVRG，这是SVRG的更强大变体，即常见的VR方法。 ADASVRG在SVRG的内循环中使用Adagrad，使其稳健地选择阶梯大小。当最小化N平滑凸函数的总和时，我们证明了ADASVRG的变体需要$ \ TINDE {O}（N + 1 / ePSILON）$梯度评估，以实现$ O（\ epsilon）$ - 次优，匹配典型速率，但不需要知道问题依赖性常数。接下来，我们利用Adagrad的属性提出了一种启发式，可以自适应地确定ADASVRG中的每个内循环的长度。通过对合成和现实世界数据集的实验，我们验证了ADASVRG的稳健性和有效性，证明了其对标准和其他“无调谐”VR方法的卓越性能。

越来越多的机器学习问题，例如现有算法的鲁棒或对抗性变体，需要最小化自己定义为最大值的损耗函数。在（内部）最大化问题上携带随机梯度上升（SGA）步骤的环路，然后在（外部）最小化上进行SGD步骤，称为时期随机梯度\脑短幕（ESGDA）。虽然成功在实践中，ESGDA的理论分析仍然具有挑战性，但没有明确指导内部环路尺寸的选择，也没有内部/外部步长尺寸之间的相互作用。我们提出RSGDA（随机SGDA），是ESGDA的变种，具有随机环形尺寸，具有更简单的理论分析。 RSGDA在非透露X分钟/强凹幅最大设置上使用时，rsgda附带第一个（在SGDA算法中）几乎肯定的融合速率。 RSGDA可以使用最佳环路大小进行参数化，以保证已知为SGDA的最佳收敛速率。我们在玩具和更大的尺度问题上测试RSGDA，使用作为测试用最佳运输的分布鲁棒优化和单细胞数据匹配。

我们分析了一类养生问题，其中高级问题在于平滑的目标函数的最小化和下层问题是找到平滑收缩图的固定点。这种类型的问题包括元学习，平衡模型，超参数优化和数据中毒对抗性攻击的实例。最近的几项作品提出了算法，这些算法温暖了较低级别的问题，即他们使用先前的下级近似解决方案作为低级求解器的凝视点。这种温暖的启动程序使人们可以在随机和确定性设置中提高样品复杂性，在某些情况下可以实现订单的最佳样品复杂性。但是，存在一些情况，例如元学习和平衡模型，其中温暖的启动程序不适合或无效。在这项工作中，我们表明没有温暖的启动，仍然可以实现订单的最佳或近乎最佳的样品复杂性。特别是，我们提出了一种简单的方法，该方法在下层下使用随机固定点迭代，并在上层处预测不精确的梯度下降，该梯度下降到达$ \ epsilon $ -Stationary Point，使用$ O（\ Epsilon^{-2） }）$和$ \ tilde {o}（\ epsilon^{ - 1}）$样本分别用于随机和确定性设置。最后，与使用温暖启动的方法相比，我们的方法产生了更简单的分析，不需要研究上层和下层迭代之间的耦合相互作用

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。

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？

随机梯度算法在大规模学习和推理问题中广泛用于优化和采样。但是，实际上，调整这些算法通常是使用启发式和反复试验而不是严格的，可概括的理论来完成的。为了解决理论和实践之间的这一差距，我们通过表征具有固定步长的非常通用的预处理随机梯度算法的迭代术的大样本行为来对调整参数的效果进行新的见解。在优化设置中，我们的结果表明，具有较大固定步长的迭代平均值可能会导致（局部）M-静态器的统计效率近似。在抽样环境中，我们的结果表明，通过适当的调整参数选择，限制固定协方差可以与Bernstein匹配 - 后验的von Mises限制，对模型错误指定后验的调整或MLE的渐近分布；而幼稚的调整极限与这些都不相对应。此外，我们认为可以在数据集对固定数量的通行证后获得基本独立的样本。我们使用模拟和真实数据通过多个实验来验证渐近样结果。总体而言，我们证明具有恒定步长的正确调整的随机梯度算法为获得点估计或后部样品提供了计算上有效且统计上健壮的方法。

Two-level stochastic optimization formulations have become instrumental in a number of machine learning contexts such as continual learning, neural architecture search, adversarial learning, and hyperparameter tuning. Practical stochastic bilevel optimization problems become challenging in optimization or learning scenarios where the number of variables is high or there are constraints. In this paper, we introduce a bilevel stochastic gradient method for bilevel problems with lower-level constraints. We also present a comprehensive convergence theory that covers all inexact calculations of the adjoint gradient (also called hypergradient) and addresses both the lower-level unconstrained and constrained cases. To promote the use of bilevel optimization in large-scale learning, we introduce a practical bilevel stochastic gradient method (BSG-1) that does not require second-order derivatives and, in the lower-level unconstrained case, dismisses any system solves and matrix-vector products.