随机近似（SA）和随机梯度下降（SGD）算法是现代机器学习算法的工作马。由于快速收敛行为，它们在实践中优选它们的持续步骤变体。然而，恒定的步骤随机迭代算法不与最佳解决方案渐近地收敛，而是具有静止分布，这通常不能被分析表征。在这项工作中，我们研究了适当缩放的静止分布的渐近行为，在恒定步骤零的限制中。具体而言，我们考虑以下三种设置：（1）SGD算法，具有平滑且强的凸面物镜，（2）涉及Hurwitz矩阵的线性SA算法，和（3）涉及收缩算子的非线性SA算法。当迭代以$ 1 / \ sqrt {\ alpha} $缩放时，其中$ \ alpha $是常量的步骤，我们表明限制缩放静止分布是整体方程的解决方案。在该等式上的唯一性假设（可以在某些设置中除去），我们进一步表征了作为高斯分布的限制分布，其协方差矩阵是合适的Lyapunov方程的独特解决方案。对于超出这些情况的SA算法，我们的数值实验表明，与中央极限定理类型结果不同：（1）缩放因子不需要为$ 1 / \ sqrt {\ alpha} $，并且（2）限制分布不需要高斯。基于数值研究，我们提出了一种确定右缩放因子的公式，并与近似随机微分方程的欧拉 - 玛赖山离散化方案进行富有洞察力的连接。

通过在线规范相关性分析的问题，我们提出了\ emph {随机缩放梯度下降}（SSGD）算法，以最小化通用riemannian歧管上的随机功能的期望。 SSGD概括了投影随机梯度下降的思想，允许使用缩放的随机梯度而不是随机梯度。在特殊情况下，球形约束的特殊情况，在广义特征向量问题中产生的，我们建立了$ \ sqrt {1 / t} $的令人反感的有限样本，并表明该速率最佳最佳，直至具有积极的积极因素相关参数。在渐近方面，一种新的轨迹平均争论使我们能够实现局部渐近常态，其速率与鲁普特 - Polyak-Quaditsky平均的速率匹配。我们将这些想法携带在一个在线规范相关分析，从事文献中的第一次获得了最佳的一次性尺度算法，其具有局部渐近融合到正常性的最佳一次性尺度算法。还提供了用于合成数据的规范相关分析的数值研究。

本文涉及由马尔可夫噪声驱动的随机近似的收敛和渐近统计：$$ \ theta_ {n + 1} = \ theta_n + \ alpha_ {n + 1} f（\ theta_n，\ phi_ {n + 1}）\， ，\ quad n \ ge 0，$$，其中每个$ \ theta_n \ in \ re ^ d $，$ \ {\ phi_n \} $是一般状态空间x上的马尔可夫链，静止分配$ \ pi $和$ f：\ re ^ d \ times \ text {x} \ to \ re ^ d $。除了在$ f $的标准lipschitz边界，以及消失的步骤大小序列$ \ {\ alpha_n \ \} $的条件外，假设相关ode是全局渐近稳定的静止点表示$ \ theta ^ * $ ，其中$ \ bar f（\ theta）= e [f（\ theta，\ phi）] $ with $ \ phi \ sim \ pi $。而且，ode @ $ \ infty $ virect with advoore字段，$$ \ bar f_ \ idty（\ theta）：= \ lim_ {r \ to \ infty} r ^ { - 1} \ bar f（r \ theta）\ ,, \ qquad \ theta \ in \ re ^ d，$$是渐近稳定的。主要贡献总结如下：（i）如果$ \ phi $是几何ergodic，则序列$ \ theta $是融合的，并且在$ f $兼容兼容的界限。剩余的结果是在马尔可夫链的更强大假设下建立：Donsker-varadhan Lyapunov漂移条件的稍微弱版本（DV3）。 （ii）为联合过程$ \ {\ theta_n，\ phi_n \} $构建Lyapunov函数，这意味着$ \ {\ theta_n \} $ in $ l_4 $的融合。 （iii）建立了功能性CLT，以及归一化误差$ z_n：=（\ theta_n- \ theta ^ *）/ \ sqrt {\ alpha_n} $的常规一维CLT。时刻界限结合了CLT暗示了归一化协方差的收敛，$$ \ lim_ {n \ to \ infty} e [z_n z_n ^ t] = \ sigma_ \ theta，$$在$ \ sigma_ \ theta $ where asbptotic协方差出现在CLT中。 （iv）提供了一个例子，其中马尔可夫链$ \ phi $是几何ergodic，但它不满足（dv3）。虽然算法收敛，但第二个时刻是无限的。

在本文中，我们提出了一种随机梯度算法，用于最大程度地减少对嘈杂成本样本的期望，而对于任何给定参数，则只观察到后者。我们的算法采用带有随机扰动的梯度估计方案，该方案是使用单位球体截断的cauchy分布形成的。我们分析了提出的梯度估计量的偏差和方差。发现我们的算法在目标函数是非凸且参数维度较高的情况下特别有用。从渐近收敛分析中，我们确定我们的算法几乎可以肯定地收敛到目标函数的固定点并获得渐近收敛速率。我们还表明，我们的算法避免了不稳定的平衡，这意味着与局部最小值的融合。此外，我们对我们的算法进行非反应收敛分析。特别是，我们在这里建立了一个非质子绑定，用于寻找非convex目标函数的$ \ epsilon $ stationary点。最后，我们通过模拟以数字方式证明我们的算法的性能在一些非凸面设置上优于GSF，SPSA和RDSA，并进一步验证其在凸（NOISY）目标上的性能。

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。

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。

在本文中，我们通过随机搜索方向的Kiefer-Wolfowitz算法调查了随机优化问题模型参数的统计参数问题。我们首先介绍了Polyak-ruppert-veriving型Kiefer-Wolfowitz（AKW）估计器的渐近分布，其渐近协方差矩阵取决于函数查询复杂性和搜索方向的分布。分布结果反映了统计效率与函数查询复杂性之间的权衡。我们进一步分析了随机搜索方向的选择来最小化渐变协方差矩阵，并得出结论，最佳搜索方向取决于相对于Fisher信息矩阵的不同摘要统计的最优标准。根据渐近分布结果，我们通过提供两个有效置信区间的结构进行一次通过统计推理。我们提供了验证我们的理论结果的数值实验，并通过程序的实际效果。

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。

了解随机梯度下降（SGD）的隐式偏见是深度学习的关键挑战之一，尤其是对于过度透明的模型，损失功能的局部最小化$ l $可以形成多种多样的模型。从直觉上讲，SGD $ \ eta $的学习率很小，SGD跟踪梯度下降（GD），直到它接近这种歧管为止，梯度噪声阻止了进一步的收敛。在这样的政权中，Blanc等人。 （2020）证明，带有标签噪声的SGD局部降低了常规术语，损失的清晰度，$ \ mathrm {tr} [\ nabla^2 l] $。当前的论文通过调整Katzenberger（1991）的想法提供了一个总体框架。它原则上允许使用随机微分方程（SDE）描述参数的限制动力学的SGD围绕此歧管的正规化效应（即“隐式偏见”）的正则化效应，这是由损失共同确定的功能和噪声协方差。这产生了一些新的结果：（1）与Blanc等人的局部分析相比，对$ \ eta^{ - 2} $ steps有效的隐性偏差进行了全局分析。 （2020）仅适用于$ \ eta^{ - 1.6} $ steps和（2）允许任意噪声协方差。作为一个应用程序，我们以任意大的初始化显示，标签噪声SGD始终可以逃脱内核制度，并且仅需要$ o（\ kappa \ ln d）$样本用于学习$ \ kappa $ -sparse $ -sparse yroverparame parametrized linearized Linear Modal in $ \ Mathbb {r}^d $（Woodworth等，2020），而GD在内核制度中初始化的GD需要$ \ omega（d）$样本。该上限是最小值的最佳，并改善了先前的$ \ tilde {o}（\ kappa^2）$上限（Haochen等，2020）。

我们考虑由一般随机序列驱动的随机梯度下降（SGD）算法，包括I.I.D噪声和随机行走，在任意图上等等；并以渐近意义进行分析。具体而言，我们采用了“效率排序”的概念，这是一种分析的工具，用于比较马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样器的性能，以sgd算法的形式以与量表矩阵相关的loewner订购形式长期。使用此顺序，我们表明对MCMC采样更有效的输入序列也导致限制中SGD算法的误差的较小协方差。这也表明，当受到更有效的链驱动时，任意加权的SGD迭代的MSE迭代会变小。我们的发现在分散的优化和群学习等应用程序中特别感兴趣，其中SGD是在基础通信图上以随机步行方式实施的，以解决成本问题和/或数据隐私。我们证明了某些非马克维亚过程如何在基于典型的混合时间的非轴突界限上是棘手的，在SGD的效率订购意义上，可以超越其马尔可夫对应物。我们通过将其应用于梯度下降，并以洗牌和小批量梯度下降将其应用于梯度下降，从而显示了我们的方法的实用性，从而在统一框架下重申了现有文献的关键结果。从经验上讲，我们还观察到SGD的变体（例如加速SGD和Adam）的效率排序，开辟了将我们的效率订购概念扩展到更广泛的随机优化算法的可能性。

连续数据的优化问题出现在，例如强大的机器学习，功能数据分析和变分推理。这里，目标函数被给出为一个（连续）索引目标函数的系列 - 相对于概率测量集成的族聚集。这些问题通常可以通过随机优化方法解决：在随机切换指标执行关于索引目标函数的优化步骤。在这项工作中，我们研究了随机梯度下降算法的连续时间变量，以进行连续数据的优化问题。该所谓的随机梯度过程包括最小化耦合与确定索引的连续时间索引过程的索引目标函数的梯度流程。索引过程是例如，反射扩散，纯跳跃过程或紧凑空间上的其他L evy过程。因此，我们研究了用于连续数据空间的多种采样模式，并允许在算法的运行时进行模拟或流式流的数据。我们分析了随机梯度过程的近似性质，并在恒定下进行了长时间行为和遍历的学习率。我们以噪声功能数据的多项式回归问题以及物理知识的神经网络在多项式回归问题中结束了随机梯度过程的适用性。

在这项工作中，我们研究了解决强化学习问题的基于政策的方法，其中采用了非政策性采样和线性函数近似进行政策评估，以及包括自然政策梯度（NPG）在内的各种政策更新规则，用于政策更新。为了在致命三合会的存在下解决政策评估子问题，我们提出了一个通用算法的多步型TD学习框架，具有广义的重要性抽样比率，其中包括两个特定的算法：$ \ lambda $ Q Q $ Q Q $ - 跟踪和双面$ Q $ - 跟踪。通用算法是单个时间尺度，具有可证明的有限样本保证，并克服了非政策学习中的高方差问题。至于策略更新，我们仅使用Bellman操作员的收缩属性和单调性属性提供通用分析，以在各种策略更新规则下建立几何融合。重要的是，通过将NPG视为实施政策迭代的近似方法，我们在不引入正则化的情况下建立了NPG的几何融合，并且不使用现有文献中的镜像下降类型的分析类型。将策略更新的几何融合与策略评估的有限样本分析相结合，我们首次建立了整​​体$ \ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - 2}）$样本复杂性以找到最佳策略（最多达到函数近似误差）使用基于策略的方法和线性函数近似下的基于策略的方法。

我们考虑使用时间差异学习算法进行连续时间过程的政策评估问题。更确切地说，从随机微分方程的时间离散化，我们打算使用TD（0）学习连续的值函数。首先，我们证明标准TD（0）算法注定要失败，因为动力学的随机部分由于时间步骤趋于零。然后，我们提出对时间差的添加零均值校正，使其相对于消失的时间步骤进行稳健。我们提出了两种算法：第一种算法是基于模型的，因为它需要了解动力学的漂移函数。第二个是无模型的。我们证明了基于模型的算法在两个不同的方案中的线性参数化假设下与连续时间解的收敛性：一个具有问题的凸正则化；第二次使用具有恒定步长且无正则化的Polyak-juditsy平均方法。在后一种方案中获得的收敛速率与最简单的使用随机梯度下降方法的线性回归问题相媲美。从完全不同的角度来看，我们的方法可以应用于使用机器学习以非发散形式求解二阶椭圆方程。

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。

The implicit stochastic gradient descent (ISGD), a proximal version of SGD, is gaining interest in the literature due to its stability over (explicit) SGD. In this paper, we conduct an in-depth analysis of the two modes of ISGD for smooth convex functions, namely proximal Robbins-Monro (proxRM) and proximal Poylak-Ruppert (proxPR) procedures, for their use in statistical inference on model parameters. Specifically, we derive nonasymptotic point estimation error bounds of both proxRM and proxPR iterates and their limiting distributions, and propose on-line estimators of their asymptotic covariance matrices that require only a single run of ISGD. The latter estimators are used to construct valid confidence intervals for the model parameters. Our analysis is free of the generalized linear model assumption that has limited the preceding analyses, and employs feasible procedures. Our on-line covariance matrix estimators appear to be the first of this kind in the ISGD literature.* Equal contribution 1 Kakao Entertainment Corp.

We study the problem of estimating the fixed point of a contractive operator defined on a separable Banach space. Focusing on a stochastic query model that provides noisy evaluations of the operator, we analyze a variance-reduced stochastic approximation scheme, and establish non-asymptotic bounds for both the operator defect and the estimation error, measured in an arbitrary semi-norm. In contrast to worst-case guarantees, our bounds are instance-dependent, and achieve the local asymptotic minimax risk non-asymptotically. For linear operators, contractivity can be relaxed to multi-step contractivity, so that the theory can be applied to problems like average reward policy evaluation problem in reinforcement learning. We illustrate the theory via applications to stochastic shortest path problems, two-player zero-sum Markov games, as well as policy evaluation and $Q$-learning for tabular Markov decision processes.

我们应用随机顺序二次编程（STOSQP）算法来求解受约束的非线性优化问题，在该问题是随机的，并且约束是确定性的。我们研究了一个完全随机的设置，其中每次迭代中只有一个样本可用于估计物镜的梯度和黑森州。我们允许stosqp选择一个随机架子$ \ bar {\ alpha} _t $适应性，使得$ \ beta_t \ leq \ leq \ bar {\ alpha} _t \ leq \ leq \ beta_t+beta_t+\ chi_t+\ chi_t $，wither = o（\ beta_t）$是预定的确定性序列。我们还允许STOSQP通过随机迭代求解器（例如，使用草图和项目方法）求解牛顿系统。而且我们不需要不精确的牛顿方向的近似误差即可消失。对于这个一般的STOSQP框架，我们建立了其最后一次迭代的渐近收敛速率，最差的案例迭代复杂性是副产品。我们执行统计推断。特别是，有了适当的衰减$ \ beta_t，\ chi_t $，我们表明：（i）STOSQP方案最多可以采用$ o（1/\ epsilon^4）$ iterations $ iterations $ iTerations以实现$ \ epsilon $ -Stationarity; （ii）几乎毫无疑问，$ \ |（x_t -x^\ star，\ lambda_t- \ lambda^\ star）\ | | = o（\ sqrt {\ beta_t \ log（1/\ beta_t）}）+o（\ chi_t/\ beta_t）$，其中$（x_t，\ lambda_t）$是primal-dimal-dimal-dialal-dialal-dialal-dual stosqp itselmate; （iii）序列$ 1/\ sqrt {\ beta_t} \ cdot（x_t -x^\ star，\ lambda_t- \ lambda_t- \ lambda^\ star）$收敛到平均零高斯分布，具有非琐事的共价矩阵。此外，我们建立了$（x_t，\ lambda_t）$的Berry-Esseen，以定量地测量其分布功能的收敛性。我们还为协方差矩阵提供了实用的估计器，可以使用iTerates $ \ {（x_t，\ lambda_t）\} _ t $构建$（x^\ star，\ lambda^\ star）$的置信区间（x^\ star，\ lambda^\ star）$。我们的定理使用最可爱的测试集中的非线性问题验证。

在关键的科学应用中，随着随机梯度算法培训的统计机器学习模型越来越多地部署。然而，在若干这样的应用中计算随机梯度是高度昂贵的甚至不可能。在这种情况下，使用衍生物或零顺序算法。迄今为止在统计机器学习文献中没有充分解决的一个重要问题是用实用又严谨的推理能力装备随机零顺序算法，以便我们不仅具有点估计或预测，而且还通过信心量化相关的不确定性间隔或集合。在这方面，在这项工作中，我们首先建立一个用于Polyak-ruppert平均随机零级梯度算法的中央极限定理。然后，我们提供出现在中央极限定理中的渐变协方差矩阵的在线估算，从而提供用于在零顺序设置中为参数估计（或预测）构建渐近有效的置信度（或间隔）的实际过程。

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

在这项工作中，我们提供了一种基本的统一收敛定理，用于得出一系列随机优化方法的预期和几乎确定的收敛结果。我们的统一定理仅需要验证几种代表性条件，并且不适合任何特定算法。作为直接应用，我们在更一般的设置下恢复了随机梯度方法（SGD）和随机改组（RR）的预期收敛结果。此外，我们为非滑动非convex优化问题的随机近端梯度方法（Prox-SGD）和基于随机模型的方法（SMM）建立了新的预期和几乎确定的收敛结果。这些应用程序表明，我们的统一定理为广泛的随机优化方法提供了插件类型的收敛分析和强大的收敛保证。