近年来，分散的学习不仅是大规模机器学习的强大工具，而且还用于保留隐私。分散学习的主要挑战之一是，每个节点持有的数据分布在统计上是异质的。为了应对这一挑战，提出了称为边缘传感器学习（ECL）的原始二重算法，并在实验上证明对数据分布的异质性是可靠的。但是，仅当目标函数是凸的时，才提供ECL的收敛速率，并且在目标函数为非convex的标准机器学习设置中尚未显示。此外，尚未研究ECL对数据分布的异质性强大的直观原因。在这项工作中，我们首先研究了ECL和八卦算法之间的关系，并表明ECL的更新公式可以被视为纠正八卦算法中的局部随机梯度。然后，我们提出了包含ECL作为特殊情况的广义ECL（G-ECL），并在（强）凸和非凸面设置中提供G-ECL的收敛速率，这不取决于该设置数据分布的异质性。通过合成实验，我们证明了G-ECL和ECL的数值结果与G-ECL的收敛速率一致。

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。

我们考虑一个多代理网络，其中每个节点具有随机（本地）成本函数，这取决于该节点的决策变量和随机变量，并且进一步的相邻节点的判定变量是成对受约束的。网络具有总体目标函数，其在节点处的本地成本函数的预期值ack，以及网络的总体目标是将该聚合目标函数的最小化解决方案最小化为所有成对约束。这将在节点级别使用分散的信息和本地计算来实现，其中仅具有相邻节点允许的压缩信息的交换。该文件开发算法，并在节点上获得两个不同型号的本地信息可用性模型的性能界限：（i）样本反馈，其中每个节点可以直接访问局部随机变量的样本，以评估其本地成本，（ii）babrit反馈，其中无随机变量的样本不可用，但只有每个节点可用的两个随机点处的本地成本函数的值可用。对于两种模型，具有邻居之间的压缩通信，我们开发了分散的骑马点算法，从没有通信压缩的那些没有不同（符号意义）的表现;具体而言，我们表明，与全局最小值和违反约束的偏差是由$ \ mathcal {o}的大约限制（t ^ { - \ frac {1} {2}}）$和$ \ mathcal {o} （t ^ { - \ frac {1} {4}}）分别为$ t $是迭代次数。本文中提供的数值例子证实了这些界限并证明了所提出的方法的通信效率。

我们开发了一个通用框架，统一了几种基于梯度的随机优化方法，用于在集中式和分布式场景中，用于经验风险最小化问题。该框架取决于引入的增强图的引入，该图形由对样品进行建模和边缘建模设备设备间通信和设备内随机梯度计算。通过正确设计增强图的拓扑结构，我们能够作为特殊情况恢复为著名的本地-SGD和DSGD算法，并提供了统一的方差还原（VR）和梯度跟踪（GT）方法（例如Saga） ，本地-SVRG和GT-SAGA。我们还提供了统一的收敛分析，以依靠适当的结构化lyapunov函数，以实现平滑和（强烈的）凸目标，并且获得的速率可以恢复许多现有算法的最著名结果。速率结果进一步表明，VR和GT方法可以有效地消除设备内部和跨设备内的数据异质性，从而使算法与最佳解决方案的确切收敛性。数值实验证实了本文中的发现。

我们考虑了分布式随机优化问题，其中$ n $代理想要最大程度地减少代理本地函数总和给出的全局函数，并专注于当代理的局部函数在非i.i.i.d上定义时，专注于异质设置。数据集。我们研究本地SGD方法，在该方法中，代理执行许多局部随机梯度步骤，并偶尔与中央节点进行通信以改善其本地优化任务。我们分析了本地步骤对局部SGD的收敛速率和通信复杂性的影响。特别是，我们允许在$ i $ th的通信回合（$ h_i $）期间允许在所有通信回合中进行固定数量的本地步骤。我们的主要贡献是将本地SGD的收敛速率表征为$ \ {h_i \} _ {i = 1}^r $在强烈凸，convex和nonconvex local函数下的函数，其中$ r $是沟通总数。基于此特征，我们在序列$ \ {h_i \} _ {i = 1}^r $上提供足够的条件，使得本地SGD可以相对于工人数量实现线性加速。此外，我们提出了一种新的沟通策略，将本地步骤提高，优于现有的沟通策略，以突出局部功能。另一方面，对于凸和非凸局局功能，我们认为固定的本地步骤是本地SGD的最佳通信策略，并恢复了最新的收敛速率结果。最后，我们通过广泛的数值实验证明我们的理论结果是合理的。

我们考虑分散的优化问题，其中许多代理通过在基础通信图上交换来最大程度地减少其本地功能的平均值。具体而言，我们将自己置于异步模型中，其中只有一个随机部分在每次迭代时执行计算，而信息交换可以在所有节点之间进行，并以不对称的方式进行。对于此设置，我们提出了一种算法，该算法结合了整个网络上梯度跟踪和差异的差异。这使每个节点能够跟踪目标函数梯度的平均值。我们的理论分析表明，在预期混合矩阵的轻度连通性条件下，当局部目标函数强烈凸面时，算法会汇聚。特别是，我们的结果不需要混合矩阵是双随机的。在实验中，我们研究了一种广播机制，该机制将信息从计算节点传输到其邻居，并确认我们方法在合成和现实世界数据集上的线性收敛性。

在本文中，我们考虑了在$ N $代理的分布式优化问题，每个都具有本地成本函数，协作最小化连接网络上的本地成本函数的平均值。为了解决问题，我们提出了一种分布式随机重新洗脱（D-RR）算法，该算法结合了经典分布式梯度下降（DGD）方法和随机重新洗脱（RR）。我们表明D-RR继承了RR的优越性，以使光滑强凸和平的非凸起目标功能。特别是，对于平稳强凸的目标函数，D-RR在平方距离方面实现$ \ Mathcal {o}（1 / T ^ 2）$汇率（这里，$ t $计算迭代总数）在迭代和独特的最小化之间。当假设客观函数是平滑的非凸块并且具有Lipschitz连续组件函数时，我们将D-RR以$ \ Mathcal {O}的速率驱动到0美元的平方标准（1 / T ^ {2 / 3}）$。这些收敛结果与集中式RR（最多常数因素）匹配。

Decentralized bilevel optimization has received increasing attention recently due to its foundational role in many emerging multi-agent learning paradigms (e.g., multi-agent meta-learning and multi-agent reinforcement learning) over peer-to-peer edge networks. However, to work with the limited computation and communication capabilities of edge networks, a major challenge in developing decentralized bilevel optimization techniques is to lower sample and communication complexities. This motivates us to develop a new decentralized bilevel optimization called DIAMOND (decentralized single-timescale stochastic approximation with momentum and gradient-tracking). The contributions of this paper are as follows: i) our DIAMOND algorithm adopts a single-loop structure rather than following the natural double-loop structure of bilevel optimization, which offers low computation and implementation complexity; ii) compared to existing approaches, the DIAMOND algorithm does not require any full gradient evaluations, which further reduces both sample and computational complexities; iii) through a careful integration of momentum information and gradient tracking techniques, we show that the DIAMOND algorithm enjoys $\mathcal{O}(\epsilon^{-3/2})$ in sample and communication complexities for achieving an $\epsilon$-stationary solution, both of which are independent of the dataset sizes and significantly outperform existing works. Extensive experiments also verify our theoretical findings.

我们考虑最小化三个凸功能的总和，其中第一个f是光滑的，第二个f是非平滑且可近的，第三个是与线性操作员L的非光滑近似函数的组成。此模板问题具有许多应用程序，有许多应用程序，有许多应用程序，，具有许多应用程序，，具有许多应用程序。例如，在图像处理和机器学习中。首先，我们为这个问题提出了一种新的原始偶算法，我们称之为PDDY。它是通过将davis-yin分裂应用于原始二重式产品空间中的单调包含的，在特定度量下，操作员在特定度量下是单调的。我们显示了三种现有算法（Condat-VU算法的两种形式） PD3O算法）具有相同的结构，因此PDDY是这种自洽的原始偶算法中的第四个丢失链接。这种表示可以简化收敛分析：它使我们能够总体上得出sublinear收敛速率，而线性收敛导致存在强凸度的存在。此外，在我们的广泛而灵活的分析框架内，我们提出了对算法的新随机概括，其中使用了Friancation降低F梯度的随机估计值，而不是真实的梯度。此外，我们作为pddy的特殊情况获得了线性收敛算法，用于在线性约束下最小化强凸功能f。我们讨论了其对分散优化的重要应用。

当数据自然分配到通过基础图的代理商之间，分散学习提供了隐私和沟通效率。通过过度参数化的学习设置，在该设置中，在该设置中训练了零训练损失，我们研究了分散学习的分散学习算法和概括性能，并在可分离的数据上下降。具体而言，对于分散的梯度下降（DGD）和各种损失函数，在无穷大（包括指数损失和逻辑损失）中渐近为零，我们得出了新的有限时间泛化界限。这补充了一长串最近的工作，该工作研究了概括性能和梯度下降的隐含偏见，而不是可分离的数据，但迄今为止，梯度下降的偏见仅限于集中学习方案。值得注意的是，我们的概括范围匹配其集中式同行。这背后的关键和独立感兴趣的是，在一类自我结合的损失方面建立了关于训练损失和DGD的传记率的新界限。最后，在算法方面，我们设计了改进的基于梯度的例程，可分离数据，并在经验上证明了训练和概括性能方面的加速命令。

Bilevel programming has recently received attention in the literature, due to a wide range of applications, including reinforcement learning and hyper-parameter optimization. However, it is widely assumed that the underlying bilevel optimization problem is solved either by a single machine or in the case of multiple machines connected in a star-shaped network, i.e., federated learning setting. The latter approach suffers from a high communication cost on the central node (e.g., parameter server) and exhibits privacy vulnerabilities. Hence, it is of interest to develop methods that solve bilevel optimization problems in a communication-efficient decentralized manner. To that end, this paper introduces a penalty function based decentralized algorithm with theoretical guarantees for this class of optimization problems. Specifically, a distributed alternating gradient-type algorithm for solving consensus bilevel programming over a decentralized network is developed. A key feature of the proposed algorithm is to estimate the hyper-gradient of the penalty function via decentralized computation of matrix-vector products and few vector communications, which is then integrated within our alternating algorithm to give the finite-time convergence analysis under different convexity assumptions. Owing to the generality of this complexity analysis, our result yields convergence rates for a wide variety of consensus problems including minimax and compositional optimization. Empirical results on both synthetic and real datasets demonstrate that the proposed method works well in practice.

在分散的学习中，节点网络协作以最小化通常是其本地目标的有限总和的整体目标函数，并结合了非平滑的正则化术语，以获得更好的泛化能力。分散的随机近端梯度（DSPG）方法通常用于培训这种类型的学习模型，而随机梯度的方差延迟了收敛速率。在本文中，我们提出了一种新颖的算法，即DPSVRG，通过利用方差减少技术来加速分散的训练。基本思想是在每个节点中引入估计器，该节点周期性地跟踪本地完整梯度，以校正每次迭代的随机梯度。通过将分散的算法转换为具有差异减少的集中内隙近端梯度算法，并控制错误序列的界限，我们证明了DPSVRG以o（1 / t）$的速率收敛于一般凸起目标加上非平滑术语以$ t $作为迭代的数量，而dspg以$ o（\ frac {1} {\ sqrt {t}}）$汇聚。我们对不同应用，网络拓扑和学习模型的实验表明，DPSVRG会收敛于DSPG的速度要快得多，DPSVRG的损耗功能与训练时期顺利降低。

遗憾已被广泛用作评估分布式多代理系统在线优化算法的性能的首选指标。但是，与代理相关的数据/模型变化可以显着影响决策，并需要在代理之间达成共识。此外，大多数现有的作品都集中在开发（强烈或非严格地）凸出的方法上，对于一般非凸损失的分布式在线优化中的遗憾界限，几乎没有得到很少的结果。为了解决这两个问题，我们提出了一种新型的综合遗憾，并使用新的基于网络的基于遗憾的度量标准来评估分布式在线优化算法。我们具体地定义了复合遗憾的静态和动态形式。通过利用我们的综合遗憾的动态形式，我们开发了一种基于共识的在线归一化梯度（CONGD）的伪convex损失方法，事实证明，它显示了与最佳器路径变化的规律性术语有关的透明性行为。对于一般的非凸损失，我们首先阐明了基于最近进步的分布式在线非凸学习的遗憾，因此没有确定性算法可以实现sublinear的遗憾。然后，我们根据离线优化的Oracle开发了分布式的在线非凸优化（Dinoco），而无需进入梯度。迪诺科（Dinoco）被证明是统一的遗憾。据我们所知，这是对一般分布在线非convex学习的第一个遗憾。

在机器学习模型的数据并行优化中，工人协作以改善对模型的估计：更准确的梯度使他们可以使用更大的学习率并更快地优化。我们考虑所有工人从同一数据集进行采样的设置，并通过稀疏图（分散）进行通信。在这种情况下，当前的理论无法捕获现实世界行为的重要方面。首先，通信图的“光谱差距”不能预测其（深）学习中的经验表现。其次，当前的理论并不能解释合作可以比单独培训更大的学习率。实际上，它规定了较小的学习率，随着图表的变化而进一步降低，无法解释无限图中的收敛性。本文旨在在工人共享相同的数据分布时绘制出稀疏连接的分布式优化的准确图片。我们量化图形拓扑如何影响二次玩具问题中的收敛性，并为一般平滑和（强烈）凸目标提供理论结果。我们的理论与深度学习中的经验观察相匹配，并准确地描述了不同图形拓扑的相对优点。

由于其在数据隐私保护，有效的沟通和并行数据处理方面的好处，联邦学习（FL）近年来引起了人们的兴趣。同样，采用适当的算法设计，可以实现fl中收敛效应的理想线性加速。但是，FL上的大多数现有作品仅限于I.I.D.的系统。数据和集中参数服务器以及与异质数据集分散的FL上的结果仍然有限。此外，在完全分散的FL下，与数据异质性在完全分散的FL下，可以实现收敛的线性加速仍然是一个悬而未决的问题。在本文中，我们通过提出一种称为Net-Fleet的新算法，以解决具有数据异质性的完全分散的FL系统，以解决这些挑战。我们算法的关键思想是通过合并递归梯度校正技术来处理异质数据集，以增强FL（最初旨在用于通信效率）的本地更新方案。我们表明，在适当的参数设置下，所提出的净型算法实现了收敛的线性加速。我们进一步进行了广泛的数值实验，以评估所提出的净化算法的性能并验证我们的理论发现。

我们研究了随机近似的分散变体，这是一种数据驱动的方法，用于在嘈杂的测量中找到操作员的根。一个具有自己的操作员和数据观察的代理网络，合作地通过分散的通信图找到了聚合操作员的固定点。我们的主要贡献是在从马尔可夫过程中采样时在每个代理下观察到的数据时，对这种分散的随机近似方法提供有限的时间分析；这种缺乏独立性使迭代率偏向和（可能）无限。在相当标准的假设下，我们表明所提出方法的收敛速率与样本是独立的基本相同，仅由对数因子的差异而不同，该对数因素是说明了马尔可夫过程的混合时间。我们的分析中的关键思想是引入一种新型的Razumikhin-Lyapunov函数，该功能是由用于分析延迟普通微分方程的稳定性的一种动机。我们还讨论了拟议方法在多代理系统中许多有趣的学习问题上的应用。

非平滑的有限和最小化是机器学习中的一个基本问题。本文开发了一种具有随机重新洗牌的分布式随机近端梯度算法，以解决随着时变多代理网络的有限和最小化。目标函数是可分辨率凸起功能的总和和非平滑的正则化。网络中的每个代理通过本地信息更新具有恒定步长大小的局部变量，并协作以寻求最佳解决方案。我们证明了所提出的算法产生的局部变量估计实现共识，并且与$ \ mathcal {o}（\ frac {1} {t} + \ frac {1} {\SQRT {T}}）$收敛率。此外，本文通过选择足够的阶梯尺寸，可以任意地小的目标函数的稳态误差。最后，提供了一些比较仿真来验证所提出的算法的收敛性能。

从经验上证明，在跨客户聚集之前应用多个本地更新的实践是克服联合学习（FL）中的通信瓶颈的成功方法。在这项工作中，我们提出了一种通用食谱，即FedShuffle，可以更好地利用FL中的本地更新，尤其是在异质性方面。与许多先前的作品不同，FedShuffle在每个设备的更新数量上没有任何统一性。我们的FedShuffle食谱包括四种简单的功能成分：1）数据的本地改组，2）调整本地学习率，3）更新加权，4）减少动量方差（Cutkosky and Orabona，2019年）。我们对FedShuffle进行了全面的理论分析，并表明从理论和经验上讲，我们的方法都不遭受FL方法中存在的目标功能不匹配的障碍，这些方法假设在异质FL设置中，例如FedAvg（McMahan等人，McMahan等， 2017）。此外，通过将上面的成分结合起来，FedShuffle在Fednova上改善（Wang等，2020），以前提议解决此不匹配。我们还表明，在Hessian相似性假设下，通过降低动量方差的FedShuffle可以改善非本地方法。最后，通过对合成和现实世界数据集的实验，我们说明了FedShuffle中使用的四种成分中的每种如何有助于改善FL中局部更新的使用。

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.

我们研究了具有大规模分布数据的机器学习模型问题的随机分散优化。我们扩展了以降低方差（VR）的广泛使用的额外和挖掘方法，并提出了两种方法：VR-Extra和VR挖掘。提出的VR-Extra需要$ o（（（\ kappa_s+n）\ log \ frac {1} {\ epsilon}）$随机梯度评估和$ o（（（\ kappa_b+kappa_c） } {\ epsilon}）$通信回合以达到Precision $ \ Epsilon $，这是非加速梯度型方法中最好的复杂性，其中$ \ kappa_s $和$ \ kappa_b $是随机条件和批次条件号和批次条件号和批次条件号和批次条件强烈凸和平滑问题的数字分别为$ \ kappa_c $是通信网络的条件编号，而$ n $是每个分布式节点上的样本大小。所提出的VR挖掘的通信成本更高，为$ O（（\ kappa_b+\ kappa_c^2）\ log \ frac {1} {\ epsilon}）$。我们的随机梯度计算复杂性与单机电VR方法（例如SAG，SAGA和SVRG）相同，我们的通信复杂性分别与额外的挖掘和挖掘相同。为了进一步加快收敛速度​​，我们还提出了加速的VR-Extra和VR挖掘，并使用最佳$ O（（（（\ sqrt {n \ kappa_s}+n）+log \ frac {1} {\ epsilon} {\ epsilon}）$随机梯度计算复杂度和$ O（\ sqrt {\ kappa_b \ kappa_c} \ log \ frac {1} {\ epsilon}）$ communication Complactity。我们的随机梯度计算复杂性也与单基加速的VR方法（例如Katyusha）相同，我们的通信复杂性与加速的全批次分散方法（例如MSDA）相同。