We consider the straggler problem in decentralized learning over a logical ring while preserving user data privacy. Especially, we extend the recently proposed framework of differential privacy (DP) amplification by decentralization by Cyffers and Bellet to include overall training latency--comprising both computation and communication latency. Analytical results on both the convergence speed and the DP level are derived for both a skipping scheme (which ignores the stragglers after a timeout) and a baseline scheme that waits for each node to finish before the training continues. A trade-off between overall training latency, accuracy, and privacy, parameterized by the timeout of the skipping scheme, is identified and empirically validated for logistic regression on a real-world dataset.

分析若干缔约方拥有的数据，同时在效用和隐私之间实现良好的权衡是联邦学习和分析的关键挑战。在这项工作中，我们介绍了一种新颖的差异隐私（LDP）的放松，自然地出现在完全分散的算法中，即，当参与者通过沿着网络图的边缘传播没有中央协调员的边缘交换信息时。我们呼叫网络DP的这种放松捕获了用户只有系统的本地视图。为了展示网络DP的相关性，我们研究了一个分散的计算模型，其中令牌在网络图上执行散步，并由接收它的方顺序更新。对于诸如实际求和，直方图计算和具有梯度下降的优化等任务，我们提出了在环和完整拓扑上的简单算法。我们证明，网络DP下我们算法的隐私式实用权折衷显着提高了LDP下可实现的内容（有时甚至与可信赖的策展人模型的效用）的可实现，首次显示正式隐私收益可以从中获得完全分散。我们的实验说明了通过随机梯度下降的分散训练方法的改进效用。

分散的优化在机器学习方面越来越受欢迎，其可伸缩性和效率。直观地，它也应提供更好的隐私保证，因为节点只能观察到网络图中其邻居发送的消息。但是，正式化和量化这一收益是具有挑战性的：现有结果通常仅限于当地差异隐私（LDP）保证忽略权力下放的优势。在这项工作中，我们介绍了成对网络差异隐私，这是一种放松的LDP，该隐藏率捕获了一个事实，即从节点$ u $到节点$ v $的隐私泄漏可能取决于它们在图中的相对位置。然后，我们分析局部噪声注入与固定和随机通信图上的（简单或随机）八卦方案的组合。我们还得出了一种差异化的分散优化算法，该算法在局部梯度下降步骤和八卦平均之间进行交替。我们的结果表明，我们的算法放大隐私保证是图表中节点之间距离的函数，与受信任策展人的隐私性权衡取舍相匹配，直到明确取决于图形拓扑的因素。最后，我们通过有关合成和现实世界数据集的实验来说明我们的隐私收益。

当算法的内部状态\ emph {private}时，迭代随机学习算法的信息泄漏是什么？每个特定培训时期对通过已发布的模型泄漏的贡献是多少？我们研究了此问题的嘈杂梯度下降算法，并在整个训练过程中对r \'enyi差异隐私损失的\ emph {dynamics}进行建模。我们的分析跟踪了\ emph {tigh}绑定在r \'enyi差异上的一对概率分布之间的差异，而不是在相邻数据集中训练的模型的参数。我们证明，隐私损失对平稳且强烈凸出的损失函数的呈指数呈指数收敛，这是对组成定理的显着改进（通过在所有中间梯度计算中，其总价值高于其总价值来过度估计隐私损失）。对于Lipschitz，光滑且强烈凸出的损失功能，我们证明了最佳效用，具有较小的梯度复杂性，用于嘈杂的梯度下降算法。

在本文中，我们研究了非平滑凸函数的私人优化问题$ f（x）= \ mathbb {e} _i f_i（x）$ on $ \ mathbb {r}^d $。我们表明，通过将$ \ ell_2^2 $正规器添加到$ f（x）$并从$ \ pi（x）\ propto \ exp（-k（f（x）+\ mu \ \ | | x \ | _2^2/2））$恢复已知的最佳经验风险和$（\ epsilon，\ delta）$ - dp的已知最佳经验风险和人口损失。此外，我们将展示如何使用$ \ widetilde {o}（n \ min（d，n））$ QUERIES $ QUERIES $ f_i（x）$用于DP-SCO，其中$ n $是示例数/用户和$ d $是环境维度。我们还在评估查询的数量上给出了一个（几乎）匹配的下限$ \ widetilde {\ omega}（n \ min（d，n））$。我们的结果利用以下具有独立感兴趣的工具：（1）如果损失函数强烈凸出并且扰动是Lipschitz，则证明指数机制的高斯差异隐私（GDP）。我们的隐私约束是\ emph {optimal}，因为它包括高斯机制的隐私性，并使用等仪不等式证明了强烈的对数concove措施。 （2）我们展示如何从$ \ exp（-f（x） - \ mu \ | x \ | |^2_2/2）$ g $ -lipschitz $ f $带有$ \ eta $的总变化中的错误（电视）使用$ \ widetilde {o}（（g^2/\ mu）\ log^2（d/\ eta））$无偏查询到$ f（x）$。这是第一个在dimension $ d $和精度$ \ eta $上具有\ emph {polylogarithmic依赖的查询复杂性的采样器。

我们展示了一个联合学习框架，旨在强大地提供具有异构数据的各个客户端的良好预测性能。所提出的方法对基于SuperQualile的学习目标铰接，捕获异构客户端的误差分布的尾统计。我们提出了一种随机训练算法，其与联合平均步骤交织差异私人客户重新重量步骤。该提出的算法支持有限时间收敛保证，保证覆盖凸和非凸面设置。关于联邦学习的基准数据集的实验结果表明，我们的方法在平均误差方面与古典误差竞争，并且在误差的尾统计方面优于它们。

Federated learning is a distributed framework according to which a model is trained over a set of devices, while keeping data localized. This framework faces several systemsoriented challenges which include (i) communication bottleneck since a large number of devices upload their local updates to a parameter server, and (ii) scalability as the federated network consists of millions of devices. Due to these systems challenges as well as issues related to statistical heterogeneity of data and privacy concerns, designing a provably efficient federated learning method is of significant importance yet it remains challenging. In this paper, we present FedPAQ, a communication-efficient Federated Learning method with Periodic Averaging and Quantization. FedPAQ relies on three key features: (1) periodic averaging where models are updated locally at devices and only periodically averaged at the server; (2) partial device participation where only a fraction of devices participate in each round of the training; and (3) quantized messagepassing where the edge nodes quantize their updates before uploading to the parameter server. These features address the communications and scalability challenges in federated learning. We also show that FedPAQ achieves near-optimal theoretical guarantees for strongly convex and non-convex loss functions and empirically demonstrate the communication-computation tradeoff provided by our method.

联邦学习（FL）是大规模分布式学习的范例，它面临两个关键挑战：（i）从高度异构的用户数据和（ii）保护参与用户的隐私的高效培训。在这项工作中，我们提出了一种新颖的流动方法（DP-SCaffold）来通过将差异隐私（DP）约束结合到流行的脚手架算法中来解决这两个挑战。我们专注于有挑战性的环境，用户在没有任何可信中介的情况下与“诚实但奇怪的”服务器沟通，这需要确保隐私不仅可以访问最终模型的第三方，而且还要对服务器观察所有用户通信。使用DP理论的高级结果，我们建立了凸面和非凸面目标算法的融合。我们的分析清楚地突出了数据异质性下的隐私式折衷，并且当局部更新的数量和异质性水平增长时，展示了在最先进的算法DP-Fedivg上的DP-Scaffold的优越性。我们的数值结果证实了我们的分析，并表明DP-Scaffold在实践中提供了重大的收益。

在本文中，通过引入低噪声条件，我们研究了在随机凸出优化（SCO）的环境中，差异私有随机梯度下降（SGD）算法的隐私和效用（概括）表现。对于点心学习，我们建立了订单$ \ Mathcal {o} \ big（\ frac {\ sqrt {\ sqrt {d \ log（1/\ delta）}} {n \ epsilon} \ big）和$ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \\ \ \ \ \\ \ \ \ \ \ big（\ frac {\ frac {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt {\ sqrt { Mathcal {o} \ big（{n^{ - \ frac {1+ \ alpha} {2}}}}}}+\ frac {\ sqrt {d \ log（1/\ delta）}}} ）$（\ epsilon，\ delta）$ - 差异化私有SGD算法，分别是较高的和$ \ alpha $ -h \'分别较旧的光滑损失，其中$ n $是样本尺寸，$ d $是维度。对于成对学习，受\ cite {lei2020sharper，lei2021Generalization}的启发，我们提出了一种基于梯度扰动的简单私人SGD算法，该算法满足$（\ epsilon，\ delta）$ - 差异性限制，并开发出了新颖的私密性，并且算法。特别是，我们证明我们的算法可以实现多余的风险利率$ \ MATHCAL {o} \ big（\ frac {1} {\ sqrt {n}}}+\ frac {\ frac {\ sqrt { delta）}}} {n \ epsilon} \ big）$带有梯度复杂性$ \ mathcal {o}（n）$和$ \ mathcal {o} \ big（n^{\ frac {\ frac {2- \ alpha} {1+ alpha} {1+ \ alpha}}}+n \ big）$，用于强烈平滑和$ \ alpha $ -h \'olde R平滑损失。此外，在低噪声环境中建立了更快的学习率，以实现平滑和非平滑损失。据我们所知，这是第一次实用分析，它提供了超过$ \ Mathcal {o} \ big（\ frac {1} {\ sqrt {\ sqrt {n}}+\ frac {\ sqrt {d sqrt {d \ sqrt {d \ sqrt { log（1/\ delta）}}} {n \ epsilon} \ big）$用于隐私提供成对学习。

我们研究了凸面和非凸面设置的差异私有随机优化。对于凸面的情况，我们专注于非平滑通用线性损耗（GLL）的家庭。我们的$ \ ell_2 $ setting算法在近线性时间内实现了最佳的人口风险，而最知名的差异私有算法在超线性时间内运行。我们的$ \ ell_1 $ setting的算法具有近乎最佳的人口风险$ \ tilde {o} \ big（\ sqrt {\ frac {\ log {n \ log {d}} {n \ varepsilon} \ big）$，以及避免\ Cite {ASI：2021}的尺寸依赖性下限为一般非平滑凸损耗。在差别私有的非凸面设置中，我们提供了几种新算法，用于近似居住的人口风险。对于具有平稳损失和多面体约束的$ \ ell_1 $ tuce，我们提供第一个近乎尺寸的独立速率$ \ tilde o \ big（\ frac {\ log ^ {2/3} {d}} {{（n \ varepsilon）^ {1/3}}} \大）在线性时间。对于具有平滑损耗的约束$ \ ell_2 $ -case，我们获得了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/3}} + \ frac {d ^ { 1/5}} {（n \ varepsilon）^ {2/5}} \ big）$。最后，对于$ \ ell_2 $ -case，我们为{\ em非平滑弱凸}的第一种方法提供了速率$ \ tilde o \ big（\ frac {1} {n ^ {1/4}} + \ FRAC {D ^ {1/6}} {（n \ varepsilon）^ {1/3}} \ big）$，它在$ d = o（\ sqrt {n}）时匹配最好的现有非私有算法$。我们还将上面的所有结果扩展到Non-Convex $ \ ell_2 $ setting到$ \ ell_p $ setting，其中$ 1 <p \ leq 2 $，只有polylogarithmic（维度在尺寸）的速度下。

分散和联合学习的关键挑战之一是设计算法，这些算法有效地处理跨代理商的高度异构数据分布。在本文中，我们在数据异质性下重新审视分散的随机梯度下降算法（D-SGD）的分析。我们在D-SGD的收敛速率上展示了新数量的关键作用，称为\ emph {邻居异质性}。通过结合通信拓扑结构和异质性，我们的分析阐明了这两个分散学习中这两个概念之间的相互作用较低。然后，我们认为邻里的异质性提供了一种自然标准，可以学习数据依赖性拓扑结构，以减少（甚至可以消除）数据异质性对D-SGD收敛时间的有害影响。对于与标签偏度分类的重要情况，我们制定了学习这样一个良好拓扑的问题，例如我们使用Frank-Wolfe算法解决的可拖动优化问题。如一组模拟和现实世界实验所示，我们的方法提供了一种设计稀疏拓扑的方法，可以在数据异质性下平衡D-SGD的收敛速度和D-SGD的触电沟通成本。

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。

我们呈现渐近最优的$（\ epsilon，\ delta）$差异私有机制，用于回答多个，自适应的$ \ delta $ -sursitive查询，解决Steinke和Ullman的猜想[2020]。我们的算法具有显着的优点，即它向每个查询增加独立的有界噪声，从而提供绝对误差。此外，我们在自适应数据分析中应用了我们的算法，获得了使用有限样本对某些基础分布的多个查询的改进保证。数值计算表明，界限噪声机制在许多标准设置中优于高斯机制。

在本文中，我们重新审视了私人经验风险最小化（DP-erm）和差异私有随机凸优化（DP-SCO）的问题。我们表明，来自统计物理学（Langevin Exfusion（LD））的经过良好研究的连续时间算法同时为DP-SCO和DP-SCO提供了最佳的隐私/实用性权衡，$ \ epsilon $ -DP和$ $ \ epsilon $ -DP和$ （\ epsilon，\ delta）$ - dp均用于凸和强烈凸损失函数。我们为LD提供新的时间和尺寸独立统一稳定性，并使用我们为$ \ epsilon $ -DP提供相应的最佳超额人口风险保证。 $ \ epsilon $ -DP的DP-SCO保证的一个重要属性是，它们将非私人最佳界限匹配为$ \ epsilon \与\ infty $。在此过程中，我们提供了各种技术工具，这些工具可能引起独立的关注：i）在两个相邻数据集上运行损失功能时，一个新的r \'enyi Divergence绑定了LD，ii）最后一个过多的经验风险范围迭代LD，类似于Shamir和Zhang的嘈杂随机梯度下降（SGD）和iii）的LD，对LD进行了两期多余的风险分析，其中第一阶段是当扩散在任何合理意义上都没有在任何合理意义上融合到固定分布时，在第二阶段扩散已收敛到吉布斯分布的变体。我们的普遍性结果至关重要地依赖于LD的动力学。当它融合到固定分布时，我们获得了$ \ epsilon $ -DP的最佳界限。当它仅在很短的时间内运行$ \ propto 1/p $时，我们在$（\ epsilon，\ delta）$ -DP下获得最佳界限。在这里，$ p $是模型空间的维度。

成对学习是指损失函数取决于一对情况的学习任务。它实例化了许多重要的机器学习任务，如双级排名和度量学习。一种流行的方法来处理成对学习中的流数据是在线梯度下降（OGD）算法，其中需要将当前实例配对以前具有足够大的尺寸的先前实例的电流实例，因此遭受可扩展性问题。在本文中，我们提出了用于成对学习的简单随机和在线梯度下降方法。与现有研究的显着差异是，我们仅将当前实例与前一个构建梯度方向配对，这在存储和计算复杂性中是有效的。我们为凸和非凸起的展示结果，优化和泛化误差界以及平滑和非光滑问题都开发了新颖的稳定性结果，优化和泛化误差界限。我们引入了新颖的技术来解耦模型的依赖性和前一个例子在优化和泛化分析中。我们的研究解决了使用具有非常小的固定尺寸的缓冲集开发OGD的有意义的泛化范围的开放问题。我们还扩展了我们的算法和稳定性分析，以便为成对学习开发差异私有的SGD算法，这显着提高了现有结果。

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。

随机优化在最小化机器学习中的目标功能方面发现了广泛的应用，这激发了许多理论研究以了解其实际成功。大多数现有研究都集中在优化误差的收敛上，而随机优化的概括分析却落后了。在实践中经常遇到的非洞穴和非平滑问题的情况尤其如此。在本文中，我们初始化了对非凸和非平滑问题的随机优化的系统稳定性和概括分析。我们介绍了新型算法稳定性措施，并在人口梯度和经验梯度之间建立了定量联系，然后进一步扩展，以研究经验风险的莫罗（Moreau）膜之间的差距和人口风险的差距。据我们所知，尚未在文献中研究稳定性与概括之间的这些定量联系。我们引入了一类采样确定的算法，为此我们为三种稳定性度量而开发界限。最后，我们将这些讨论应用于随机梯度下降及其自适应变体的误差界限，我们在其中显示如何通过调整步骤大小和迭代次数来实现隐式正则化。

我们提出并分析了算法，以解决用户级差分隐私约束下的一系列学习任务。用户级DP仅保证只保证个人样本的隐私，而是保护用户的整个贡献（$ M \ GE 1 $ Samples），而不是对信息泄漏提供更严格但更现实的保护。我们表明，对于高维平均估计，具有平稳损失，随机凸优化和学习假设类别的经验风险最小化，具有有限度量熵，隐私成本随着用户提供的$ O（1 / \ SQRT {M}）$减少更多样本。相比之下，在增加用户数量$ N $时，隐私成本以较快的价格降低（1 / n）$率。我们将这些结果与下界相提并论，显示了我们算法的最低限度估计和随机凸优化的算法。我们的算法依赖于私有平均估计的新颖技术，其任意维度与误差缩放为浓度半径$ \ tai $的分布而不是整个范围。

在本文中，我们研究了非交互性局部差异隐私（NLDP）模型中估计平滑普遍线性模型（GLM）的问题。与其经典设置不同，我们的模型允许服务器访问一些其他公共但未标记的数据。在本文的第一部分中，我们专注于GLM。具体而言，我们首先考虑每个数据记录均为I.I.D.的情况。从零均值的多元高斯分布中取样。由Stein的引理动机，我们提出了GLMS的$（Epsilon，\ delta）$ -NLDP算法。此外，算法的公共数据和私人数据的示例复杂性以实现$ \ alpha $的$ \ ell_2 $ -norm估计错误（具有高概率）为$ {o}（p \ alpha^{ - 2}）$和$ \ tilde {o}（p^3 \ alpha^{ - 2} \ epsilon^{ - 2}）$，其中$ p $是特征向量的维度。这是对$ \ alpha^{ - 1} $中先前已知的指数或准过程的重大改进，或者在$ p $中的指数smack sample sample smack glms的复杂性，没有公共数据。然后，我们考虑一个更通用的设置，每个数据记录为I.I.D.从某些次高斯分布中取样，有限制的$ \ ell_1 $ -norm。基于Stein的引理的变体，我们提出了一个$（\ epsilon，\ delta）$ - NLDP算法，用于GLMS的公共和私人数据的样本复杂性，以实现$ \ ell_ \ elfty $ - infty $ -NOMM估计的$ \ alpha误差$是$ is $ {o}（p^2 \ alpha^{ - 2}）$和$ \ tilde {o}（p^2 \ alpha^{ - 2} \ epsilon^{ - 2}）$，温和的假设，如果$ \ alpha $不太小（{\ em i.e.，} $ \ alpha \ geq \ omega（\ frac {1} {\ sqrt {p}}}）$）。在本文的第二部分中，我们将我们的想法扩展到估计非线性回归的问题，并显示出与多元高斯和次高斯案例的GLMS相似的结果。最后，我们通过对合成和现实世界数据集的实验来证明算法的有效性。

我们在差分隐私（DP）的约束下，用重型数据研究随机凸优化。大多数关于此问题的事先工作仅限于损耗功能是Lipschitz的情况。相反，正如王，肖，德拉达斯和徐\ Cite {wangxdx20}所引入的那样，假设渐变的分布已涉及$ k $ --th时刻，我们研究了一般凸损失功能。我们在集中DP下提供了改善的上限，用于凸起的凸起和强凸损失功能。一路上，我们在纯粹和集中的DP下获得了私人平均估计的私有平均估计的新算法。最后，我们证明了私有随机凸性优化的近乎匹配的下限，具有强凸损失和平均估计，显示纯净和浓缩的DP之间的新分离。