图像重建算法的稳健性和稳定性最近受到了审查。它们对医学成像的重要性不能被夸大。我们回顾了局部变异正则化策略的已知结果（$ \ ell_2 $和$ \ ell_1 $正则化），并为$ \ ell_p $正规化的线性逆问题提供新的稳定结果，$ p \ in（1，\ infty）$。我们的结果很好地推广到相应的$ L_P（\ Omega）$功能空间。

在这项工作中，我们考虑线性逆问题$ y = ax + \ epsilon $，其中$ a \ colon x \ to y $是可分离的hilbert spaces $ x $和$ y $之间的已知线性运算符，$ x $。 $ x $和$ \ epsilon $中的随机变量是$ y $的零平均随机过程。该设置涵盖成像中的几个逆问题，包括去噪，去束和X射线层析造影。在古典正规框架内，我们专注于正则化功能的情况下未能先验，而是从数据中学习。我们的第一个结果是关于均方误差的最佳广义Tikhonov规则器的表征。我们发现它完全独立于前向操作员$ a $，并仅取决于$ x $的平均值和协方差。然后，我们考虑从两个不同框架中设置的有限训练中学习常规程序的问题：一个监督，根据$ x $和$ y $的样本，只有一个无人监督，只基于$ x $的样本。在这两种情况下，我们证明了泛化界限，在X $和$ \ epsilon $的分发的一些弱假设下，包括子高斯变量的情况。我们的界限保持在无限尺寸的空间中，从而表明更精细和更细的离散化不会使这个学习问题更加困难。结果通过数值模拟验证。

除了预测误差的最小化之外，回归方案的两个最期望的性质是稳定性和解释性。由这些原则驱动，我们提出了连续域配方进行一维回归问题。在我们的第一种方法中，我们使用Lipschitz常数作为规范器，这导致了解学习映射的整体稳健性的调整。在我们的第二种方法中，我们使用用户定义的上限和使用稀疏性常规程序来控制Lipschitz常数，以便更简单地支持（以及因此，更可取的可解释）的解决方案。后者制剂的理论研究部分地通过其证明的等效性，利用整流线性单元（Relu）激活和重量衰减，训练Lipschitz受约束的两层单变量神经网络。通过证明代表定理，我们表明这两个问题都承认是连续和分段线性（CPWL）功能的全局最小值。此外，我们提出了高效的算法，该算法找到了每个问题的稀疏解决方案：具有最少数量的线性区域的CPWL映射。最后，我们在数字上说明了我们的配方的结果。

我们考虑统计逆学习问题，任务是根据$ AF $的嘈杂点评估估算函数$ F $，其中$ a $是一个线性运算符。函数$ AF $在I.I.D评估。随机设计点$ u_n $，$ n = 1，...，n $由未知的一般概率分布生成。我们认为Tikhonov正规用一般凸起和$ P $-Homenecous罚款功能，并在由惩罚功能引起的对称BREGMAN距离中测量的地面真理的正则化解决方案的集中率。我们获得了Besov Norm处罚的具体率，并在数值上展示了与X射线断层扫描的背景下的观察到的率的对应。

数据保真项和加性正则化功能的最小化为监督学习带来了强大的框架。在本文中，我们提出了一个统一的正则功能，该功能取决于操作员和通用的ra域标准。我们确定了最小化器的存在，并在非常温和的假设下给出了溶液的参数形式。当规范是希尔伯特人时，提出的配方会产生涉及径向基础功能的解决方案，并且与机器学习的经典方法兼容。相比之下，对于总差异规范，解决方案采用具有正则化运算符确定的激活函数的两层神经网络的形式。特别是，我们通过让操作员成为拉普拉斯（Laplacian）来检索流行的Relu网络。我们还表征了中间正规化规范的解决方案$ \ | \ cdot \ | = \ | \ | \ cdot \ | _ {l_p} $ at（1,2] $。我们的框架提供了保证通用近似值的保证广泛的正规化操作员家庭或等同于各种浅层神经网络，包括激活函数在多项式上增加的病例（例如Relu）。它还解释了偏见和跳过连接在神经建筑中的有利作用。

Wasserstein的分布在强大的优化方面已成为强大估计的有力框架，享受良好的样本外部性能保证，良好的正则化效果以及计算上可易处理的双重重新纠正。在这样的框架中，通过将最接近经验分布的所有概率分布中最接近的所有概率分布中最小化的最差预期损失来最大程度地减少估计量。在本文中，我们提出了一个在噪声线性测量中估算未知参数的Wasserstein分布稳定的M估计框架，我们专注于分析此类估计器的平方误差性能的重要且具有挑战性的任务。我们的研究是在现代的高维比例状态下进行的，在该状态下，环境维度和样品数量都以相对的速度进行编码，该速率以编码问题的下/过度参数化的比例。在各向同性高斯特征假设下，我们表明可以恢复平方误差作为凸 - 串联优化问题的解，令人惊讶的是，它在最多四个标量变量中都涉及。据我们所知，这是在Wasserstein分布强劲的M估计背景下研究此问题的第一项工作。

本文讨论了基本结果和最近的变分正规化方法，如逆问题所开发的。在典型的设置中，我们回顾获得收敛正则化方案所需的基本属性，并进一步讨论分别需要的定量估计的推导，例如凸起功能的Bregman距离所需的成分。除了开发用于逆问题的方法外，我们还将在机器学习中讨论变分正规化，并解决与经典正则化理论的一些连接。特别是我们将讨论正规化理论框架中机器学习问题的重新解释，以及对风险最小化框架中逆问题的变分方法的重新解释。此外，我们在Bregman距离和泛化误差中建立了一些先前未知的连接。

In optimization-based approaches to inverse problems and to statistical estimation, it is common to augment the objective with a regularizer to address challenges associated with ill-posedness. The choice of a suitable regularizer is typically driven by prior domain information and computational considerations. Convex regularizers are attractive as they are endowed with certificates of optimality as well as the toolkit of convex analysis, but exhibit a computational scaling that makes them ill-suited beyond moderate-sized problem instances. On the other hand, nonconvex regularizers can often be deployed at scale, but do not enjoy the certification properties associated with convex regularizers. In this paper, we seek a systematic understanding of the power and the limitations of convex regularization by investigating the following questions: Given a distribution, what are the optimal regularizers, both convex and nonconvex, for data drawn from the distribution? What properties of a data source govern whether it is amenable to convex regularization? We address these questions for the class of continuous and positively homogenous regularizers for which convex and nonconvex regularizers correspond, respectively, to convex bodies and star bodies. By leveraging dual Brunn-Minkowski theory, we show that a radial function derived from a data distribution is the key quantity for identifying optimal regularizers and for assessing the amenability of a data source to convex regularization. Using tools such as $\Gamma$-convergence, we show that our results are robust in the sense that the optimal regularizers for a sample drawn from a distribution converge to their population counterparts as the sample size grows large. Finally, we give generalization guarantees that recover previous results for polyhedral regularizers (i.e., dictionary learning) and lead to new ones for semidefinite regularizers.

我们研究了神经网络中平方损耗训练问题的优化景观和稳定性，但通用非线性圆锥近似方案。据证明，如果认为非线性圆锥近似方案是（以适当定义的意义）比经典线性近似方法更具表现力，并且如果存在不完美的标签向量，则在方位损耗的训练问题必须在其中不稳定感知其解决方案集在训练数据中的标签向量上不连续地取决于标签向量。我们进一步证明对这些不稳定属性负责的效果也是马鞍点出现的原因和杂散的局部最小值，这可能是从全球解决方案的任意遥远的，并且既不训练问题也不是训练问题的不稳定性通常，杂散局部最小值的存在可以通过向目标函数添加正则化术语来克服衡量近似方案中参数大小的目标函数。无论可实现的可实现性是否满足，后一种结果都被证明是正确的。我们表明，我们的分析特别适用于具有可变宽度的自由结插值方案和深层和浅层神经网络的培训问题，其涉及各种激活功能的任意混合（例如，二进制，六骨，Tanh，arctan，软标志， ISRU，Soft-Clip，SQNL，Relu，Lifley Relu，Soft-Plus，Bent Identity，Silu，Isrlu和ELU）。总之，本文的发现说明了神经网络和一般非线性圆锥近似仪器的改进近似特性以直接和可量化的方式与必须解决的优化问题的不期望的性质链接，以便训练它们。

我们研究了两层神经网络，其领域和范围是具有可分离性的Banach空间。另外，我们假设图像空间配备了部分顺序，即它是Riesz空间。作为非线性，我们选择了取积极部分的晶格操作；如果$ \ Mathbb r^d $可值的神经网络，这对应于Relu激活函数。我们证明了特定类别功能的蒙特卡洛速率的逆近似定理和直接近似定理，从而扩展了有限维情况的现有结果。在本文的第二部分中，我们从正规化理论的角度研究，通过有限数量的嘈杂观测值在潜在空间上进行签名的措施来找到此类功能的最佳表示的问题。我们讨论称为源条件的规律性条件，并在噪声水平均为零并且样本数量以适当的速度为零时，在Bregman距离中获得代表度量的收敛速率。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

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 $1/\varepsilon$.

最近，在构建用于应用和理论目的的再现内核Banach空间（RKBS）的兴趣已经存在兴趣，例如机器学习，采样重建，稀疏近似和功能分析。现有的结构包括通过双线性形式，半内部产品rkbs，带有$ \ ell ^ 1 $常规的rkbs的反身rkbs，$ p $ -norm rkbs，通过广义ercer内核等。rkbs的定义和rkbs的定义在这些参考文献中相关的再现内核取决于建设。此外，这些结构之间的关系尚不清楚。我们探索RKB的通用定义和用于独立于施工的RKB的再现内核。此外，我们提出了一种构建rkbs的框架，其通过连续的双线性形式和一对特征图统一上面提到的现有结构。提出了一类新的orlicz rkbss。最后，我们开发了在我们框架中构建的RKBS中机器学习的代表性定理，这也统一了现有rkbs中的代表定理。

形状约束，例如非负，单调性，凸度或超模型性，在机器学习和统计的各种应用中都起着关键作用。但是，将此方面的信息以艰苦的方式（例如，在间隔的所有点）纳入预测模型，这是一个众所周知的具有挑战性的问题。我们提出了一个统一和模块化的凸优化框架，依赖于二阶锥（SOC）拧紧，以编码属于矢量值重现的载体内核Hilbert Spaces（VRKHSS）的模型对函数衍生物的硬仿射SDP约束。所提出的方法的模块化性质允许同时处理多个形状约束，并将无限数量的约束限制为有限的许多。我们证明了所提出的方案的收敛及其自适应变体的收敛性，利用VRKHSS的几何特性。由于基于覆盖的拧紧构造，该方法特别适合具有小到中等输入维度的任务。该方法的效率在形状优化，机器人技术和计量经济学的背景下进行了说明。

我们研究了对识别的非唯一麻烦的线性功能的通用推断，该功能定义为未识别条件矩限制的解决方案。这个问题出现在各种应用中，包括非参数仪器变量模型，未衡量的混杂性下的近端因果推断以及带有阴影变量的丢失 - 与随机数据。尽管感兴趣的线性功能（例如平均治疗效应）在适当的条件下是可以识别出的，但令人讨厌的非独家性对统计推断构成了严重的挑战，因为在这种情况下，常见的滋扰估计器可能是不稳定的，并且缺乏固定限制。在本文中，我们提出了对滋扰功能的受惩罚的最小估计器，并表明它们在这种挑战性的环境中有效推断。提出的滋扰估计器可以适应灵活的功能类别，重要的是，无论滋扰是否是唯一的，它们都可以融合到由惩罚确定的固定限制。我们使用受惩罚的滋扰估计器来形成有关感兴趣的线性功能的依据估计量，并在通用高级条件下证明其渐近正态性，这提供了渐近有效的置信区间。

对于函数的矩阵或凸起的正半明确度（PSD）的形状约束在机器学习和科学的许多应用中起着核心作用，包括公制学习，最佳运输和经济学。然而，存在很少的功能模型，以良好的经验性能和理论担保来强制执行PSD-NESS或凸起。在本文中，我们介绍了用于在PSD锥中的值的函数的内核平方模型，其扩展了最近建议编码非负标量函数的内核平方型号。我们为这类PSD函数提供了一个代表性定理，表明它构成了PSD函数的普遍近似器，并在限定的平等约束的情况下导出特征值界限。然后，我们将结果应用于建模凸起函数，通过执行其Hessian的核心量子表示，并表明可以因此表示任何平滑且强凸的功能。最后，我们说明了我们在PSD矩阵值回归任务中的方法以及标准值凸起回归。

The affine rank minimization problem consists of finding a matrix of minimum rank that satisfies a given system of linear equality constraints. Such problems have appeared in the literature of a diverse set of fields including system identification and control, Euclidean embedding, and collaborative filtering. Although specific instances can often be solved with specialized algorithms, the general affine rank minimization problem is NP-hard, because it contains vector cardinality minimization as a special case.In this paper, we show that if a certain restricted isometry property holds for the linear transformation defining the constraints, the minimum rank solution can be recovered by solving a convex optimization problem, namely the minimization of the nuclear norm over the given affine space. We present several random ensembles of equations where the restricted isometry property holds with overwhelming probability, provided the codimension of the subspace is Ω(r(m + n) log mn), where m, n are the dimensions of the matrix, and r is its rank.The techniques used in our analysis have strong parallels in the compressed sensing framework. We discuss how affine rank minimization generalizes this pre-existing concept and outline a dictionary relating concepts from cardinality minimization to those of rank minimization. We also discuss several algorithmic approaches to solving the norm minimization relaxations, and illustrate our results with numerical examples.

最近有兴趣的兴趣在教师学生环境中的各种普遍性线性估计问题中的渐近重建性能研究，特别是对于I.I.D标准正常矩阵的案例。在这里，我们超越这些矩阵，并证明了具有具有任意界限频谱的旋转不变数据矩阵的凸遍的线性模型的重建性能的分析公式，严格地确认使用来自统计物理的副本衍生的猜想。该公式包括许多问题，例如压缩感测或稀疏物流分类。通过利用消息通过算法和迭代的统计特性来实现证明，允许表征估计器的渐近实证分布。我们的证据是基于构建Oracle多层向量近似消息传递算法的会聚序列的构建，其中通过检查等效动态系统的稳定性来完成收敛分析。我们说明了我们对主流学习方法的数值示例的要求，例如稀疏的逻辑回归和线性支持矢量分类器，显示中等大小模拟和渐近预测之间的良好一致性。

Iterative regularization is a classic idea in regularization theory, that has recently become popular in machine learning. On the one hand, it allows to design efficient algorithms controlling at the same time numerical and statistical accuracy. On the other hand it allows to shed light on the learning curves observed while training neural networks. In this paper, we focus on iterative regularization in the context of classification. After contrasting this setting with that of regression and inverse problems, we develop an iterative regularization approach based on the use of the hinge loss function. More precisely we consider a diagonal approach for a family of algorithms for which we prove convergence as well as rates of convergence. Our approach compares favorably with other alternatives, as confirmed also in numerical simulations.

We consider the problem of estimating the optimal transport map between a (fixed) source distribution $P$ and an unknown target distribution $Q$, based on samples from $Q$. The estimation of such optimal transport maps has become increasingly relevant in modern statistical applications, such as generative modeling. At present, estimation rates are only known in a few settings (e.g. when $P$ and $Q$ have densities bounded above and below and when the transport map lies in a H\"older class), which are often not reflected in practice. We present a unified methodology for obtaining rates of estimation of optimal transport maps in general function spaces. Our assumptions are significantly weaker than those appearing in the literature: we require only that the source measure $P$ satisfies a Poincar\'e inequality and that the optimal map be the gradient of a smooth convex function that lies in a space whose metric entropy can be controlled. As a special case, we recover known estimation rates for bounded densities and H\"older transport maps, but also obtain nearly sharp results in many settings not covered by prior work. For example, we provide the first statistical rates of estimation when $P$ is the normal distribution and the transport map is given by an infinite-width shallow neural network.