We consider the class of iterative shrinkage-thresholding algorithms (ISTA) for solving linear inverse problems arising in signal/image processing. This class of methods, which can be viewed as an extension of the classical gradient algorithm, is attractive due to its simplicity and thus is adequate for solving large-scale problems even with dense matrix data. However, such methods are also known to converge quite slowly. In this paper we present a new fast iterative shrinkage-thresholding algorithm (FISTA) which preserves the computational simplicity of ISTA but with a global rate of convergence which is proven to be significantly better, both theoretically and practically. Initial promising numerical results for wavelet-based image deblurring demonstrate the capabilities of FISTA which is shown to be faster than ISTA by several orders of magnitude.

我们考虑凸优化问题，这些问题被广泛用作低级基质恢复问题的凸松弛。特别是，在几个重要问题（例如相位检索和鲁棒PCA）中，在许多情况下的基本假设是最佳解决方案是排名一列。在本文中，我们考虑了目标上的简单自然的条件，以使这些放松的最佳解决方案确实是独特的，并且是一个排名。主要是，我们表明，在这种情况下，使用线路搜索的标准Frank-Wolfe方法（即，没有任何参数调整），该方法仅需要单个排名一级的SVD计算，可以找到$ \ epsilon $ - 仅在$ o（\ log {1/\ epsilon}）$迭代（而不是以前最著名的$ o（1/\ epsilon）$）中的近似解决方案，尽管目的不是强烈凸。我们考虑了基本方法的几种变体，具有改善的复杂性，以及由强大的PCA促进的扩展，最后是对非平滑问题的扩展。

In this book chapter, we briefly describe the main components that constitute the gradient descent method and its accelerated and stochastic variants. We aim at explaining these components from a mathematical point of view, including theoretical and practical aspects, but at an elementary level. We will focus on basic variants of the gradient descent method and then extend our view to recent variants, especially variance-reduced stochastic gradient schemes (SGD). Our approach relies on revealing the structures presented inside the problem and the assumptions imposed on the objective function. Our convergence analysis unifies several known results and relies on a general, but elementary recursive expression. We have illustrated this analysis on several common schemes.

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.

一类非平滑实践优化问题可以写成，以最大程度地减少平滑且部分平滑的功能。我们考虑了这种结构化问题，这些问题也取决于参数矢量，并研究了将其解决方案映射相对于参数的问题，该参数在灵敏度分析和参数学习选择材料问题中具有很大的应用。我们表明，在部分平滑度和其他温和假设下，近端分裂算法产生的序列的自动分化（AD）会收敛于溶液映射的衍生物。对于一种自动分化的变体，我们称定点自动分化（FPAD），我们纠正了反向模式AD的内存开销问题，此外，理论上提供了更快的收敛。我们从数值上说明了套索和组套索问题的AD和FPAD的收敛性和收敛速率，并通过学习正则化项来证明FPAD在原型实用图像deoise问题上的工作。

稀疏数据的恢复是机器学习和信号处理中许多应用的核心。虽然可以使用$ \ ell_1 $ -regularization在套索估算器中使用此类问题，但在基础上，通常需要专用算法来解决大型实例的相应高维非平滑优化。迭代地重新重复的最小二乘（IRLS）是一种广泛使用的算法，其出于其优异的数值性能。然而，虽然现有理论能够保证该算法的收敛到最小化器，但它不提供全局收敛速度。在本文中，我们证明了IRLS的变型以全局线性速率收敛到稀疏解决方案，即，如果测量结果满足通常的空空间属性假设，则立即发生线性误差。我们通过数值实验支持我们的理论，表明我们的线性速率捕获了正确的维度依赖性。我们预计我们的理论调查结果将导致IRLS算法的许多其他用例的新见解，例如在低级矩阵恢复中。

现代统计应用常常涉及最小化可能是非流动和/或非凸起的目标函数。本文侧重于广泛的Bregman-替代算法框架，包括本地线性近似，镜像下降，迭代阈值，DC编程以及许多其他实例。通过广义BREGMAN功能的重新发出使我们能够构建合适的误差测量并在可能高维度下建立非凸起和非凸起和非球形目标的全球收敛速率。对于稀疏的学习问题，在一些规律性条件下，所获得的估算器作为代理人的固定点，尽管不一定是局部最小化者，但享受可明确的统计保障，并且可以证明迭代顺序在所需的情况下接近统计事实准确地快速。本文还研究了如何通过仔细控制步骤和放松参数来设计基于适应性的动力的加速度而不假设凸性或平滑度。

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。

诸如压缩感测，图像恢复，矩阵/张恢复和非负矩阵分子等信号处理和机器学习中的许多近期问题可以作为约束优化。预计的梯度下降是一种解决如此约束优化问题的简单且有效的方法。本地收敛分析将我们对解决方案附近的渐近行为的理解，与全球收敛分析相比，收敛率的较小界限提供了较小的界限。然而，本地保证通常出现在机器学习和信号处理的特定问题领域。此稿件在约束最小二乘范围内，对投影梯度下降的局部收敛性分析提供了统一的框架。该建议的分析提供了枢转局部收敛性的见解，例如线性收敛的条件，收敛区域，精确的渐近收敛速率，以及达到一定程度的准确度所需的迭代次数的界限。为了证明所提出的方法的适用性，我们介绍了PGD的收敛分析的配方，并通过在四个基本问题上的配方的开始延迟应用来证明它，即线性约束最小二乘，稀疏恢复，最小二乘法使用单位规范约束和矩阵完成。

几十年前，近端点算法（PPA）规定为抽象操作员理论和数值优化社区获得持久的吸引力。即使在现代应用中，研究人员仍然使用近端最小化理论来设计克服非现状的可扩展算法。卓越的作品作为\ Cite {FER：91，BER：82Constrom，BER：89，汤姆：11}在PPA的收敛行为与客观函数的规律之间建立了紧张关系。在本手稿中，我们得出了精确和不精确的PPA的非因素迭代复杂性，以最小化$ \ gamma-$持有人的增长：$ \ bigo {\ log（1 / \ epsilon）} $（在[1中， 2] $）和$ \ bigo {1 / \ epsilon ^ {\ gamma - 2}} $（适用于$ \ gamma> 2 $）。特别是，即使在不精确的情况下，我们恢复了PPA的众所周知的结果：有限的收敛性，用于急剧增长，即使是在不精确的情况下的二次生长。但是，在不考虑到计算每个PPA迭代的具体计算工作，任何迭代复杂性都仍然摘要和纯粹的信息。因此，使用计算不精确PPA迭代的内部（近端）梯度/子射频方法子程序，其次地显示了在重启的不精确PPA上的新颖的计算复杂性界限，当没有已知有关于目标函数的增长的信息时可用。在数值实验中，我们确认了我们框架的实际表现和可实现性。

我们介绍了一种牛顿型方法，可以从任何初始化和带有Lipschitz Hessians的任意凸面目标收敛。通过将立方规范化与某种自适应levenberg - Marquardt罚款合并来实现这一目标。特别地，我们表明由$ x ^ {k + 1} = x ^ k - \ bigl（\ nabla ^ 2 f（x ^ k）+ \ sqrt {h \ | \ nabla f（x ^ k）给出的迭代）\ |} \ mathbf {i} \ bigr）^ { - 1} \ nabla f（x ^ k）$，其中$ h> 0 $是一个常数，用$ \ mathcal {o}全球收敛（\ frac{1} {k ^ 2}）$率。我们的方法是牛顿方法的第一个变体，具有廉价迭代和可怕的全球融合。此外，我们证明当目的强烈凸起时，本地我们的方法会收敛超连续。为了提高方法的性能，我们提供了一种不需要超参数的线路搜索程序，并且可提供高效。

我们研究无限制的黎曼优化的免投影方法。特别是，我们提出了黎曼弗兰克 - 沃尔夫（RFW）方法。我们将RFW的非渐近收敛率分析为最佳（高音）凸起问题，以及非凸起目标的临界点。我们还提出了一种实用的设置，其中RFW可以获得线性收敛速度。作为一个具体的例子，我们将RFW专用于正定矩阵的歧管，并将其应用于两个任务：（i）计算矩阵几何平均值（riemannian质心）; （ii）计算Bures-Wasserstein重心。这两个任务都涉及大量凸间间隔约束，为此，我们表明RFW要求的Riemannian“线性”Oracle承认了闭合形式的解决方案;该结果可能是独立的兴趣。我们进一步专门从事RFW到特殊正交组，并表明这里也可以以封闭形式解决riemannian“线性”甲骨文。在这里，我们描述了数据矩阵同步的应用程序（促使问题）。我们补充了我们的理论结果，并对RFW对最先进的riemananian优化方法进行了实证比较，并观察到RFW竞争性地对计算黎曼心质的任务进行竞争性。

由于其吸引人的稳健性以及可提供的效率保证，随机模型的方法最近得到了最新的关注。我们为改善基于模型的方法进行了两个重要扩展，即在随机弱凸优化上提高了基于模型的方法。首先，我们通过涉及一组样本来提出基于MiniBatch模型的方法，以近似每次迭代中的模型函数。我们首次表明随机算法即使对于非平滑和非凸（特别是弱凸）问题，即使是批量大小也可以实现线性加速。为此，我们开发了对每个算法迭代中涉及的近端映射的新颖敏感性分析。我们的分析似乎是更多常规设置的独立利益。其次，由于动量随机梯度下降的成功，我们提出了一种新的随机外推模型的方法，大大延伸到更广泛的随机算法中的经典多济会动量技术，用于弱凸优化。在相当灵活的外推术语范围内建立收敛速率。虽然主要关注弱凸优化，但我们还将我们的工作扩展到凸优化。我们将小纤维和外推模型的方法应用于随机凸优化，为此，我们为其提供了一种新的复杂性绑定和有前途的线性加速，批量尺寸。此外，提出了一种基于基于Nesterov动量的基于模型的方法，为此，我们建立了达到最优性的最佳复杂性。

Convex function constrained optimization has received growing research interests lately. For a special convex problem which has strongly convex function constraints, we develop a new accelerated primal-dual first-order method that obtains an $\Ocal(1/\sqrt{\vep})$ complexity bound, improving the $\Ocal(1/{\vep})$ result for the state-of-the-art first-order methods. The key ingredient to our development is some novel techniques to progressively estimate the strong convexity of the Lagrangian function, which enables adaptive step-size selection and faster convergence performance. In addition, we show that the complexity is further improvable in terms of the dependence on some problem parameter, via a restart scheme that calls the accelerated method repeatedly. As an application, we consider sparsity-inducing constrained optimization which has a separable convex objective and a strongly convex loss constraint. In addition to achieving fast convergence, we show that the restarted method can effectively identify the sparsity pattern (active-set) of the optimal solution in finite steps. To the best of our knowledge, this is the first active-set identification result for sparsity-inducing constrained optimization.

在本文中，我们提出了一个算法框架，称为乘数的惯性交替方向方法（IADMM），用于求解与线性约束线性约束的一类非convex非conmooth多块复合优化问题。我们的框架采用了一般最小化 - 更大化（MM）原理来更新每个变量块，从而不仅统一了先前在MM步骤中使用特定替代功能的AMDM的收敛分析，还导致新的有效ADMM方案。据我们所知，在非convex非平滑设置中，ADMM与MM原理结合使用，以更新每个变量块，而ADMM与\ emph {Primal变量的惯性术语结合在一起}尚未在文献中研究。在标准假设下，我们证明了生成的迭代序列的后续收敛和全局收敛性。我们说明了IADMM对一类非凸低级别表示问题的有效性。

我们考虑最小化高维目标函数的问题，该功能可以包括正则化术语，使用（可能的噪声）评估该功能。这种优化也称为无衍生，零阶或黑匣子优化。我们提出了一个新的$ \ textbf {z} $ feroth - $ \ textbf {o} $ rder $ \ textbf {r} $ ptimization方法，称为zoro。当潜在的梯度大致稀疏时，Zoro需要很少的客观函数评估，以获得降低目标函数的新迭代。我们通过自适应，随机梯度估计器实现这一点，然后是不精确的近端梯度方案。在一个新颖的大致稀疏梯度假设和各种不同的凸面设置下，我们显示了zoro的（理论和实证）收敛速率仅对对数依赖于问题尺寸。数值实验表明，Zoro在合成和实际数据集中优于具有相似假设的现有方法。

在本文中，我们开发了一种新型加速算法，以解决一些最大单调方程以及单调夹杂物。我们的方法而不是使用Nesterov的加速方法，而是依赖于[32]中所谓的Halpern型固定点迭代，最近由许多研究人员利用，包括[24,70]。首先，我们基于Popov过去的超梯度方法来解决[70]中的锚定梯度方案的新变种，以解决最大单调方程$ g（x）= 0 $。我们表明我们的方法与运营商规范$ \ vert g（x_k）\ vert上的锚定梯度算法相同$，但只需要在每次迭代的每次迭代时进行一次评估，其中$ k $是迭代计数器。接下来，我们开发两个分割算法，以近似两个最大单调的运算符之和的零点。第一算法源自与分裂技术组合的锚定梯度方法，而第二个是其波波夫的变体，其可以降低偏移复杂度。这两种算法似乎都是新的，可以被视为Douglas-Rachford（DR）分裂方法的加速变体。他们均达到$ \ mathcal {o}（1 / k）$ rations上的正常r_ {\ gamma}（x_k）\ vert $ g _ {\ gamma}（\ cdot） $与问题相关联。我们还提出了一个新的加速Douglas-Rachford分裂方案，用于解决这个问题，该问题在$ \ vert g _ {\ gamma}（x_k）\ vert $下的$ \ mathcal {o}（1 / k）$收敛率下面只有最大单调假设。最后，我们指定了我们的第一算法来解决凸凹minimax问题，并应用我们加速的DR方案来得出乘法器（ADMM）的交替方向方法的新变型。

我们提出了一个基于一般学习的框架，用于解决非平滑和非凸图像重建问题。我们将正则函数建模为$ l_ {2,1} $ norm的组成，并将平滑但非convex功能映射参数化为深卷积神经网络。我们通过利用Nesterov的平滑技术和残留学习的概念来开发一种可证明的趋同的下降型算法来解决非平滑非概念最小化问题，并学习网络参数，以使算法的输出与培训数据中的参考匹配。我们的方法用途广泛，因为人们可以将各种现代网络结构用于正规化，而所得网络继承了算法的保证收敛性。我们还表明，所提出的网络是参数有效的，其性能与实践中各种图像重建问题中的最新方法相比有利。

我们介绍并分析新的一阶优化算法系列，它概括并统一镜像血统和双平均。在该系列的框架内，我们定义了用于约束优化的新算法，这些算法结合了镜像血统和双平均的优点。我们的初步仿真研究表明，这些新算法在某些情况下显着优于可用方法。

在本文中，我们研究了一类二聚体优化问题，也称为简单的双重优化，在其中，我们将光滑的目标函数最小化，而不是另一个凸的约束优化问题的最佳解决方案集。已经开发了几种解决此类问题的迭代方法。 las，它们的收敛保证并不令人满意，因为它们要么渐近，要么渐近，要么是收敛速度缓慢且最佳的。为了解决这个问题，在本文中，我们介绍了Frank-Wolfe（FW）方法的概括，以解决考虑的问题。我们方法的主要思想是通过切割平面在局部近似低级问题的解决方案集，然后运行FW型更新以减少上层目标。当上层目标是凸面时，我们表明我们的方法需要$ {\ mathcal {o}}（\ max \ {1/\ epsilon_f，1/\ epsilon_g \}）$迭代才能找到$ \ \ \ \ \ \ epsilon_f $ - 最佳目标目标和$ \ epsilon_g $ - 最佳目标目标。此外，当高级目标是非convex时，我们的方法需要$ {\ MATHCAL {o}}（\ max \ {1/\ epsilon_f^2,1/（\ epsilon_f \ epsilon_g}）查找$（\ epsilon_f，\ epsilon_g）$ - 最佳解决方案。我们进一步证明了在“较低级别问题的老年人错误约束假设”下的更强的融合保证。据我们所知，我们的方法实现了所考虑的二聚体问题的最著名的迭代复杂性。我们还向数值实验提出了数值实验。与最先进的方法相比，展示了我们方法的出色性能。