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.

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.

标准联合优化方法成功地适用于单层结构的随机问题。然而，许多当代的ML问题 - 包括对抗性鲁棒性，超参数调整和参与者 - 批判性 - 属于嵌套的双层编程，这些编程包含微型型和组成优化。在这项工作中，我们提出了\ fedblo：一种联合交替的随机梯度方法来解决一般的嵌套问题。我们在存在异质数据的情况下为\ fedblo建立了可证明的收敛速率，并引入了二聚体，最小值和组成优化的变化。\ fedblo引入了多种创新，包括联邦高级计算和降低方差，以解决内部级别的异质性。我们通过有关超参数\＆超代理学习和最小值优化的实验来补充我们的理论，以证明我们方法在实践中的好处。代码可在https://github.com/ucr-optml/fednest上找到。

我们研究了一类算法，用于在内部级别物镜强烈凸起时求解随机和确定性设置中的彼此优化问题。具体地，我们考虑基于不精确的隐含区分的算法，并且我们利用热门开始策略来摊销精确梯度的估计。然后，我们介绍了一个统一的理论框架，受到奇异的扰动系统（Habets，1974）的研究来分析这种摊销算法。通过使用此框架，我们的分析显示了匹配可以访问梯度无偏见估计的Oracle方法的计算复杂度的算法，从而优于彼此优化的许多现有结果。我们在合成实验中说明了这些发现，并展示了这些算法对涉及几千个变量的超参数优化实验的效率。

本文分析了双模的彼此优化随机算法框架。 Bilevel优化是一类表现出两级结构的问题，其目标是使具有变量的外目标函数最小化，该变量被限制为对（内部）优化问题的最佳解决方案。我们考虑内部问题的情况是不受约束的并且强烈凸起的情况，而外部问题受到约束并具有平滑的目标函数。我们提出了一种用于解决如此偏纤维问题的两次时间尺度随机近似（TTSA）算法。在算法中，使用较大步长的随机梯度更新用于内部问题，而具有较小步长的投影随机梯度更新用于外部问题。我们在各种设置下分析了TTSA算法的收敛速率：当外部问题强烈凸起（RESP。〜弱凸）时，TTSA算法查找$ \ MATHCAL {O}（k ^ { - 2/3}）$ -Optimal（resp。〜$ \ mathcal {o}（k ^ {-2/5}）$ - 静止）解决方案，其中$ k $是总迭代号。作为一个应用程序，我们表明，两个时间尺度的自然演员 - 批评批评近端策略优化算法可以被视为我们的TTSA框架的特殊情况。重要的是，与全球最优政策相比，自然演员批评算法显示以预期折扣奖励的差距，以$ \ mathcal {o}（k ^ { - 1/4}）的速率收敛。

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。

我们通过两种类型 - 主/工人（因此集中）架构（因此集中）架构和网格化（因此分散）网络，研究（强）凸起（强）凸起（强）凸起的鞍点问题（SPPS）的解决方案方法。由于统计数据相似度或其他，假设每个节点处的本地功能是相似的。我们为求解SPP的相当一般算法奠定了较低的复杂性界限。我们表明，在$ \ omega \ big（\ delta \ cdot \ delta / \ mu \ cdot \ log（1 / varepsilon）\ big）$ rounds over over over exoptimally $ \ epsilon> 0 $ over over master / workers网络通信，其中$ \ delta> 0 $测量本地功能的相似性，$ \ mu $是它们的强凸起常数，$ \ delta $是网络的直径。较低的通信复杂性绑定在网状网络上读取$ \ omega \ big（1 / {\ sqrt {\ rho}} \ cdot {\ delta} / {\ mu} \ cdot \ log（1 / varepsilon）\ big）$ ，$ \ rho $是用于邻近节点之间通信的八卦矩阵的（归一化）EIGENGAP。然后，我们提出算法与较低限制的网络（最多为日志因子）匹配。我们评估所提出的算法对强大的逻辑回归问题的有效性。

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。

近年来，由于它们在对点对点网络上的分散性学习问题（例如，多机构元学习，多机构的多方强化增强学习学习）上，分散的双层优化问题在网络和机器学习社区中引起了越来越多的关注。 ，个性化的培训和拜占庭的弹性学习）。但是，对于具有有限的计算和通信功能的对等网络上的分散式双层优化，如何实现低样本和通信复杂性是迄今为止尚未探索的两个基本挑战。在本文中，我们首次尝试研究了分别与外部和内部子问题相对应的非凸和强结构结构的分散双重优化问题。本文中我们的主要贡献是两倍：i）我们首先提出了一种称为Interact的确定性算法（Inter-gradient-descent-out-outer-tracked-gradeent），需要$ \ Mathcal {o}的样品复杂性（n \ epsilon） ^{ - 1}）$和$ \ mathcal {o}的通信复杂性（\ epsilon^{ - 1}）$解决双重优化问题，其中$ n $和$ \ epsilon> 0 $是样本的数量在每个代理和所需的平稳性差距上。 ii）为了放宽每次迭代中进行全面梯度评估的需求，我们提出了一个随机方差的互动版本（SVR Interact），该版本将样品复杂性提高到$ \ Mathcal {o}（\ sqrt {n} \ epsilon ^{ - 1}）$在达到与确定算法相同的通信复杂性时。据我们所知，这项工作是第一个实现低样本和通信复杂性，以解决网络上的分散双层优化问题。我们的数值实验也证实了我们的理论发现。

在互联网上的多种代理环境中的新兴应用程序，如互联网，网络传感，自主系统和联合学习，呼叫分散算法，以便在计算和通信方面是资源有效的有限总和优化。在本文中，我们考虑了原型设置，其中代理正在协作地工作，以通过在预定的网络拓扑中与其邻居通信来最小化局部损失函数的总和。我们开发了一种新的算法，称为分散的随机递归梯度方法（DESTRess），用于非耦合有限和优化，它与集中式算法的最佳增量一阶Oracle（IFO）复杂性匹配，用于查找一阶静止点，同时保持通信效率。详细的理论和数值比较证实了迭代在广泛的参数制度上提高现有分散算法的资源效率。 Descress利用了多个关键算法设计思路，包括随机激活的随机递增渐变渐变更新，具有用于本地计算的迷你批次，梯度跟踪，梯度跟踪，用于额外混合（即，多个八卦轮），用于偏移通信，以及仔细选择超参数和新的分析框架可证明达到理想的计算 - 通信权衡。

Two-level stochastic optimization formulations have become instrumental in a number of machine learning contexts such as continual learning, neural architecture search, adversarial learning, and hyperparameter tuning. Practical stochastic bilevel optimization problems become challenging in optimization or learning scenarios where the number of variables is high or there are constraints. In this paper, we introduce a bilevel stochastic gradient method for bilevel problems with lower-level constraints. We also present a comprehensive convergence theory that covers all inexact calculations of the adjoint gradient (also called hypergradient) and addresses both the lower-level unconstrained and constrained cases. To promote the use of bilevel optimization in large-scale learning, we introduce a practical bilevel stochastic gradient method (BSG-1) that does not require second-order derivatives and, in the lower-level unconstrained case, dismisses any system solves and matrix-vector products.

机器学习已开始在许多应用中发挥核心作用。这些应用程序中的许多应用程序通常还涉及由于设计约束（例如多元系统）或计算/隐私原因（例如，在智能手机数据上学习），这些数据集分布在多个计算设备/机器上。这样的应用程序通常需要以分散的方式执行学习任务，其中没有直接连接到所有节点的中央服务器。在现实世界中的分散设置中，由于设备故障，网络攻击等，节点容易出现未发现的故障，这可能会崩溃非稳固的学习算法。本文的重点是在发生拜占庭失败的节点的存在下对分散学习的鲁棒化。拜占庭故障模型允许故障节点任意偏离其预期行为，从而确保设计最健壮的算法的设计。但是，与分布式学习相反，对分散学习中拜占庭式的弹性的研究仍处于起步阶段。特别是，现有的拜占庭式分散学习方法要么不能很好地扩展到大规模的机器学习模型，要么缺乏统计收敛性可确保有助于表征其概括错误。在本文中，引入了一个可扩展的，拜占庭式的分散的机器学习框架，称为拜占庭的分散梯度下降（桥梁）。本文中还提供了强烈凸出问题和一类非凸问题的算法和统计收敛保证。此外，使用大规模的分散学习实验来确定桥梁框架是可扩展的，并且为拜占庭式弹性凸和非convex学习提供了竞争结果。

在线优化是一个完善的优化范式，旨在鉴于对以前的决策任务的正确答案，旨在做出一系列正确的决策。二重编程涉及一个分层优化问题，其中所谓的外部问题的可行区域受内部问题的解决方案集映射的限制。本文将这两个想法汇总在一起，并研究了在线双层优化设置，其中一系列随时间变化的二聚体问题又一个接一个地揭示了一个。我们将已知的单层在线算法的已知遗憾界限扩展到双重设置。具体而言，我们引入了新的杂种遗憾概念，开发了一种在线交替的时间平均梯度方法，该方法能够利用光滑度，并根据内部和外部极型序列的长度提供遗憾的界限。

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。

我们研究稀疏的线性回归在一个代理网络上，建模为无向图（没有集中式节点）。估计问题被制定为当地套索损失函数的最小化，加上共识约束的二次惩罚 - 后者是获取分布式解决方案方法的工具。虽然在优化文献中广泛研究了基于惩罚的共识方法，但其高维设置中的统计和计算保证仍不清楚。这项工作提供了对此公开问题的答案。我们的贡献是两倍。 First, we establish statistical consistency of the estimator: under a suitable choice of the penalty parameter, the optimal solution of the penalized problem achieves near optimal minimax rate $\mathcal{O}(s \log d/N)$ in $\ell_2 $ -loss，$ s $是稀疏性值，$ d $是环境维度，$ n $是网络中的总示例大小 - 这与集中式采样率相匹配。其次，我们表明，应用于惩罚问题的近端梯度算法，它自然导致分布式实现，线性地收敛到集中统计误差的顺序的公差 - 速率比例为$ \ mathcal {o}（ d）$，揭示不可避免的速度准确性困境。数值结果证明了衍生的采样率和收敛速率缩放的紧张性。

这项工作审查了旨在在通信约束下运行的自适应分布式学习策略。我们考虑一个代理网络，必须从持续观察流数据来解决在线优化问题。代理商实施了分布式合作策略，其中允许每个代理商与其邻居执行本地信息交换。为了应对通信约束，必须不可避免地压缩交换信息。我们提出了一种扩散策略，昵称为ACTC（适应 - 压缩 - 然后组合），其依赖于以下步骤：i）每个代理执行具有恒定步长大小的单独随机梯度更新的适应步骤; ii）一种压缩步骤，它利用最近引入的随机压缩操作员;和III）每个代理组合从其邻居接收的压缩更新的组合步骤。这项工作的区别要素如下。首先，我们专注于自适应策略，其中常数（而不是递减）阶梯大小对于实时响应非间断变化至关重要。其次，我们考虑一般的指导图表和左随机组合政策，使我们能够增强拓扑和学习之间的相互作用。第三，与对所有个人代理的成本职能承担强大的凸起的相关作品相比，我们只需要在网络水平的强大凸起，即使单个代理具有强凸的成本，剩余的代理商也不满足凸起成本。第四，我们专注于扩散（而不是共识）战略。在压缩信息的苛刻设置下，建立ACTC迭代在所需的优化器周围波动，在相邻代理之间交换的比特方面取得了显着的节省。

在本文中，我们研究并证明了拟牛顿算法的Broyden阶级的非渐近超线性收敛速率，包括Davidon - Fletcher - Powell（DFP）方法和泡沫 - 弗莱彻 - 夏诺（BFGS）方法。这些准牛顿方法的渐近超线性收敛率在文献中已经广泛研究，但它们明确的有限时间局部会聚率未得到充分调查。在本文中，我们为Broyden Quasi-Newton算法提供了有限时间（非渐近的）收敛分析，在目标函数强烈凸起的假设下，其梯度是Lipschitz连续的，并且其Hessian在最佳解决方案中连续连续。我们表明，在最佳解决方案的本地附近，DFP和BFGS生成的迭代以$（1 / k）^ {k / 2} $的超连线率收敛到最佳解决方案，其中$ k $是迭代次数。我们还证明了类似的本地超连线收敛结果，因为目标函数是自我协调的情况。几个数据集的数值实验证实了我们显式的收敛速度界限。我们的理论保证是第一个为准牛顿方法提供非渐近超线性收敛速率的效果之一。

本文提出了一种针对分布式凸复合优化问题的新型双重不精确拆分算法（DISA），其中本地损耗函数由$ L $ -SMOOTH的项组成，可能是由线性操作员组成的非平滑项。我们证明，当原始和双重尺寸$ \ tau $，$ \ beta $满足$ 0 <\ tau <{2}/{l} $和$ 0 <\ tau \ beta <1 $时，我们证明了DISA是收敛的。与现有的原始双侧近端分裂算法（PD-PSA）相比，DISA克服了收敛步骤范围对线性操作员欧几里得范围的依赖性。这意味着当欧几里得规范大时，DISA允许更大的步骤尺寸，从而确保其快速收敛。此外，我们分别在一般凸度和度量次级性下分别建立了disa的均值和线性收敛速率。此外，还提供了DISA的近似迭代版本，并证明了该近似版本的全局收敛性和sublinear收敛速率。最后，数值实验不仅证实了理论分析，而且还表明，与现有的PD-PSA相比，DISA达到了显着的加速度。

我们提供了新的基于梯度的方法，以便有效解决广泛的病态化优化问题。我们考虑最小化函数$ f：\ mathbb {r} ^ d \ lightarrow \ mathbb {r} $的问题，它是隐含的可分解的，作为$ m $未知的非交互方式的总和，强烈的凸起功能并提供方法这解决了这个问题，这些问题是缩放（最快的对数因子）作为组件的条件数量的平方根的乘积。这种复杂性绑定（我们证明几乎是最佳的）可以几乎指出的是加速梯度方法的几乎是指数的，这将作为$ F $的条件数量的平方根。此外，我们提供了求解该多尺度优化问题的随机异标变体的有效方法。而不是学习$ F $的分解（这将是过度昂贵的），而是我们的方法应用一个清洁递归“大步小步”交错标准方法。由此产生的算法使用$ \ tilde {\ mathcal {o}}（d m）$空间，在数字上稳定，并打开门以更细粒度的了解凸优化超出条件号的复杂性。

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。