使用分布式学习培训具有大数据集的复杂模型的主要挑战之一是处理陷阱效果。作为解决方案，最近提出了对计算任务有效地增加了冗余的编码计算。在该技术中，跨数据集使用编码，并且计算在编码数据上完成，使得具有特定大小的工作节点的任意子集的结果足以恢复最终结果。这些方法的主要挑战是（1）它们仅限于多项式函数计算，（2）服务器子集的大小，我们需要等待数据集大小的乘法和模型复杂性的乘法（多项式的程度），其可能过大，（3）它们对实际数字的计算不是数值稳定的。在本文中，我们将Berrut近似编码计算（BACC）提出，作为替代方法，其不限于多项式函数计算。此外，主节点可以使用可用工作人员节点的任何任意子集的结果大致计算最终结果。近似方法被证明具有低计算复杂性的数值稳定。另外，理论上建立近似的准确性并通过仿真验证导致不同的设置，例如分布式学习问题。特别地，BACC用于在一组服务器上训练深度神经网络，这在收敛速率方面优于重复计算（重复编码）。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

编码的计算技术为分布式计算中的贸易管理者提供鲁棒性。但是，大多数现有计划都需要精确地配置争吵行为，并忽略通过谋杀工人执行的计算。此外，这些方案通常被设计为准确地恢复所需的计算结果，而在许多机器学习和迭代优化算法中，已知更快的近似解决方案导致整体收敛时间的改善。在本文中，我们首先引入一种新的编码矩阵 - 向量乘法方案，称为组成的编码计算，其中部分恢复（CCPR），这有利于编码和未编码的计算方案的优点，并减少了计算时间和解码复杂度允许在准确性和计算速度之间进行权衡。然后，我们通过提出具有部分恢复的编码通信方案来扩展这种方法来分发更多一般计算任务，其中在传送之前编码由工人计算的子任务的结果。大型线性回归任务的数值模拟确认了所提出的分布式计算方案的优势，在计算准确性和延迟之间的权衡方面具有部分恢复。

Emerging technologies and applications including Internet of Things (IoT), social networking, and crowd-sourcing generate large amounts of data at the network edge. Machine learning models are often built from the collected data, to enable the detection, classification, and prediction of future events. Due to bandwidth, storage, and privacy concerns, it is often impractical to send all the data to a centralized location. In this paper, we consider the problem of learning model parameters from data distributed across multiple edge nodes, without sending raw data to a centralized place. Our focus is on a generic class of machine learning models that are trained using gradientdescent based approaches. We analyze the convergence bound of distributed gradient descent from a theoretical point of view, based on which we propose a control algorithm that determines the best trade-off between local update and global parameter aggregation to minimize the loss function under a given resource budget. The performance of the proposed algorithm is evaluated via extensive experiments with real datasets, both on a networked prototype system and in a larger-scale simulated environment. The experimentation results show that our proposed approach performs near to the optimum with various machine learning models and different data distributions.

编码的分布式计算已成为在大型数据集上执行梯度下降以减轻散乱者和其他故障的常见实践。本文提出了一种新的算法，该算法编码了部分导数本身，并通过对代码字上的衍生代码字进行有损压缩来优化代码，从而最大程度地提高代码字中包含的信息，同时最大程度地减少代码字之间的信息。在优化研究中观察到的事实是，在基于梯度下降的学习算法中，这是在优化研究中观察到的事实的几何后果，因为它有助于避免过度拟合和局部最小值。这与当前在分布式编码计算上进行的许多常规工作相反，该计算的重点是从工人那里恢复所有数据。第二个贡献是，编码方案的低重量性质允许进行异步梯度更新，因为该代码可以迭代地解码。即，可以立即将工人的任务更新到较大的梯度中。方向衍生物始终是方向向量的线性函数。因此，我们的框架很健壮，因为它可以将线性编码技术应用于一般的机器学习框架，例如深神经网络。

We consider distributed learning in the presence of slow and unresponsive worker nodes, referred to as stragglers. In order to mitigate the effect of stragglers, gradient coding redundantly assigns partial computations to the worker such that the overall result can be recovered from only the non-straggling workers. Gradient codes are designed to tolerate a fixed number of stragglers. Since the number of stragglers in practice is random and unknown a priori, tolerating a fixed number of stragglers can yield a sub-optimal computation load and can result in higher latency. We propose a gradient coding scheme that can tolerate a flexible number of stragglers by carefully concatenating gradient codes for different straggler tolerance. By proper task scheduling and small additional signaling, our scheme adapts the computation load of the workers to the actual number of stragglers. We analyze the latency of our proposed scheme and show that it has a significantly lower latency than gradient codes.

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

我们考虑分布式SGD问题，其中主节点在$ n $工人之间分配梯度计算。通过将任务分配给所有工人，只等待$ k $最快的工人，主节点可以随着算法的发展而逐渐增加$ k $，可以权衡算法的错误。但是，这种策略被称为自适应$ k $ -sync，忽略了未使用的计算的成本和向揭示出散布行为的工人进行交流模型的成本。我们提出了一个成本效益的计划，将任务仅分配给$ k $工人，并逐渐增加$ k $。我们介绍了组合多臂匪徒模型的使用来了解哪些工人在分配梯度计算时最快。假设具有指数分布的响应时间以不同方式参数的工人，我们会以我们的策略的遗憾（即学习工人的平均响应时间花费的额外时间）提供经验和理论保证。此外，我们提出和分析适用于大量响应时间分布的策略。与自适应$ k $ -sync相比，我们的计划通过相同的计算工作和较小的下行链路通信在速度较低的情况下，误差大大降低。

在广泛的应用程序中，从观察到的数据中识别隐藏的动态是一项重大且具有挑战性的任务。最近，线性多步法方法（LMM）和深度学习的结合已成功地用于发现动力学，而对这种方法进行完整的收敛分析仍在开发中。在这项工作中，我们考虑了基于网络的深度LMM，以发现动态。我们使用深网的近似属性提出了这些方法的错误估计。它指出，对于某些LMMS的家庭，$ \ ell^2 $网格错误由$ O（H^p）$的总和和网络近似错误，其中$ h $是时间步长和$P $是本地截断错误顺序。提供了几个物理相关示例的数值结果，以证明我们的理论。

为了提高分布式学习的训练速度，近年来见证了人们对开发同步和异步分布式随机方差减少优化方法的极大兴趣。但是，所有现有的同步和异步分布式训练算法都遭受了收敛速度或实施复杂性的各种局限性。这激发了我们提出一种称为\ algname（\ ul {s} emi-as \ ul {yn}的算法} ent \ ul {s} earch），它利用方差减少框架的特殊结构来克服同步和异步分布式学习算法的局限性，同时保留其显着特征。我们考虑分布式和共享内存体系结构下的\ algname的两个实现。我们表明我们的\ algname算法具有\（o（\ sqrt {n} \ epsilon^{ - 2}（ - 2}（\ delta+1）+n）\）\）和\（o（\ sqrt {n} {n} 2}（\ delta+1）d+n）\）用于实现\（\ epsilon \）的计算复杂性 - 分布式和共享内存体系结构分别在非convex学习中的固定点，其中\（n \）表示培训样本的总数和\（\ delta \）表示工人的最大延迟。此外，我们通过建立二次强烈凸和非convex优化的算法稳定性界限来研究\ algname的概括性能。我们进一步进行广泛的数值实验来验证我们的理论发现

过度参数化神经网络（NNS）的小概括误差可以通过频率偏见现象来部分解释，在频率偏置现象中，基于梯度的算法将低频失误最小化，然后再减少高频残差。使用神经切线内核（NTK），可以为训练提供理论上严格的分析，其中数据是从恒定或分段构剂概率密度绘制的数据。由于大多数训练数据集不是从此类分布中汲取的，因此我们使用NTK模型和数据依赖性的正交规则来理论上量化NN训练的频率偏差，给定完全不均匀的数据。通过用精心选择的Sobolev规范替换损失函数，我们可以进一步扩大，抑制，平衡或逆转NN训练中的内在频率偏差。

在这项工作中，我们研究了联合学习框架内的经验风险最小化（ERM），其中，中央服务器使用存储在$ M $客户端的培训数据最小化ERM目标函数。在此设置中，联合平均（Fedave）算法是用于确定$ \ epsilon $-uppations解决的钉钉。类似于标准优化算法，FEDAVE的收敛分析仅依赖于优化参数中的损耗功能的平滑度。但是，损失函数通常在训练数据中通常非常顺利。为了利用这种额外的平滑度，我们提出了联邦低级梯度下降（FEDLRGD）算法。由于数据的平滑度引起损耗函数上的近似低等级结构，因此我们的方法首先在服务器和客户端之间执行几轮通信，以便学习服务器可以用于近似客户端梯度的权重。然后，我们的方法使用不精确的渐变下降来解决服务器处的ERM问题。为了表明FedLRGD可以对Fedave具有卓越的性能，我们向Cenferated Oracle复杂性概念作为规范Oracle复杂性的对应物。在损失函数的一些假设下，例如，参数中的强凸，$ \ eta $ -h \“数据中的较旧的平滑度等，我们证明了Fedlrgd尺度的联邦Oracle复杂性，如$ \ phi m（p / \ epsilon）^ {\ theta（d / \ eta）} $和fedave尺度如$ \ phi m（p / \ epsilon）^ {3/4} $（忽略次级主导因子），其中$ \ phi \ GG 1 $是一种“通信到计算率”，$ P $ IS参数维度，$ D $是数据维度。然后，我们显示，当$ D $小而损失函数足够平滑时DATA，FEDLRGD在联合Oracle复杂性中击败了Fedave。最后，在分析FEDLRGD的过程中，我们还在潜在变量模型的低秩近似建立了结果。

本文开发了简单的前馈神经网络，实现了所有连续功能的通用近似性，具有固定的有限数量的神经元。这些神经网络很简单，因为它们的设计具有简单且可增加的连续激活功能$ \ Sigma $利用三角波函数和软片功能。我们证明了$ \ Sigma $ -Activated网络，宽度为36d $ 36d（2d + 1）$和11 $ 11 $可以在任意小错误中估计$ d $ -dimensioanl超级函数上的任何连续功能。因此，对于监督学习及其相关的回归问题，这些网络产生的假设空间，尺寸不小于36d（2d + 1）\ times 11 $的持续功能的空间。此外，由图像和信号分类引起的分类函数在$ \ sigma $ -activated网络生成的假设空间中，宽度为36d（2d + 1）$和12 $ 12 $，当存在$ \的成对不相交的界限子集时mathbb {r} ^ d $，使得同一类的样本位于同一子集中。

我们提出了两种新颖的编码联合学习（FL）方案，用于减轻乐曲设备的效果。第一种方案，CodedPaddedFL，减轻了乐谱装置的效果，同时保留了传统的隐私水平。特别地，它将一次性填充与梯度码相结合，以产生对讨论设备的弹性。要将一次性填充应用于真实数据，我们的计划利用数据的定点算术表示。对于具有25个设备的场景，CodedPaddedFL与传统FL相比，CodedPaddedFL分别在MM师和时尚-MNIST数据集中获得6.6和9.2的速度增速因子为6.6和9.2。此外，与Prakash \ Emph {等人}最近提出的方案相比，它在延迟方面产生了类似的性能。没有额外的私人数据泄漏的缺点。第二个方案CodedSecagg提供落后和防止模型反转攻击的稳健性，并基于Shamir的秘密共享。 CodedSecagg优先于最先进的安全聚合方案，如6.6-14.6的加速因子，这取决于拼写设备的数量，在具有120个设备的场景的MNIST数据集上，以牺牲与CodedPaddedFL相比，延迟增加了30 \％。

联合学习可以使远程工作人员能够协作培训共享机器学习模型，同时允许在本地保持训练数据。在无线移动设备的用例中，由于功率和带宽有限，通信开销是关键瓶颈。前工作已经利用了各种数据压缩工具，例如量化和稀疏，以减少开销。在本文中，我们提出了一种用于联合学习的预测编码的压缩方案。该方案在所有设备中具有共享预测功能，并且允许每个工作人员发送来自参考的压缩残余矢量。在每个通信中，我们基于速率失真成本选择预测器和量化器，并进一步降低熵编码的冗余。广泛的模拟表明，与其他基线方法相比，甚至更好的学习性能，通信成本可以减少高达99％。

通过建立神经网络和内核方法之间的联系，无限宽度极限阐明了深度学习的概括和优化方面。尽管它们的重要性，但这些内核方法的实用性在大规模学习设置中受到限制，因为它们（超）二次运行时和内存复杂性。此外，大多数先前关于神经内核的作品都集中在relu激活上，这主要是由于其受欢迎程度，但这也是由于很难计算此类内核来进行一般激活。在这项工作中，我们通过提供进行一般激活的方法来克服此类困难。首先，我们编译和扩展激活功能的列表，该函数允许精确的双重激活表达式计算神经内核。当确切的计算未知时，我们提出有效近似它们的方法。我们提出了一种快速的素描方法，该方法近似于任何多种多层神经网络高斯过程（NNGP）内核和神经切线核（NTK）矩阵，以实现广泛的激活功能，这超出了常见的经过分析的RELU激活。这是通过显示如何使用任何所需激活函​​数的截短的Hermite膨胀来近似神经内核来完成的。虽然大多数先前的工作都需要单位球体上的数据点，但我们的方法不受此类限制的影响，并且适用于$ \ Mathbb {r}^d $中的任何点数据集。此外，我们为NNGP和NTK矩阵提供了一个子空间嵌入，具有接近输入的距离运行时和接近最佳的目标尺寸，该目标尺寸适用于任何\ EMPH {均质}双重激活功能，具有快速收敛的Taylor膨胀。从经验上讲，关于精确的卷积NTK（CNTK）计算，我们的方法可实现$ 106 \ times $速度，用于在CIFAR-10数据集上的5层默特网络的近似CNTK。

本文提出了一个无网格的计算框架和机器学习理论，用于在未知的歧管上求解椭圆形PDE，并根据扩散地图（DM）和深度学习确定点云。 PDE求解器是作为监督的学习任务制定的，以解决最小二乘回归问题，该问题施加了近似PDE的代数方程（如果适用）。该代数方程涉及通过DM渐近扩展获得的图形拉平型矩阵，该基质是二阶椭圆差差算子的一致估计器。最终的数值方法是解决受神经网络假设空间解决方案的高度非凸经验最小化问题。在体积良好的椭圆PDE设置中，当假设空间由具有无限宽度或深度的神经网络组成时，我们表明，经验损失函数的全球最小化器是大型训练数据极限的一致解决方案。当假设空间是一个两层神经网络时，我们表明，对于足够大的宽度，梯度下降可以识别经验损失函数的全局最小化器。支持数值示例证明了解决方案的收敛性，范围从具有低和高共限度的简单歧管到具有和没有边界的粗糙表面。我们还表明，所提出的NN求解器可以在具有概括性误差的新数据点上稳健地概括PDE解决方案，这些误差几乎与训练错误相同，从而取代了基于Nystrom的插值方法。

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

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.

我们提出了一种惩罚的非参数方法，以使用整流器二次单元（REEND）激活了深层神经网络，以估计不可分割的模型中的分位数回归过程（QRP），并引入了新的惩罚函数，以实施对瓦解回归曲线的非交叉。我们为估计的QRP建立了非反应过量的风险界限，并在轻度平滑度和规律性条件下得出估计的QRP的平均综合平方误差。为了建立这些非反应风险和估计误差范围，我们还使用$ s> 0 $及其衍生物及其衍生物使用所需的激活的神经网络开发了一个新的错误，用于近似$ c^s $平滑功能。这是必需网络的新近似结果，并且具有独立的兴趣，并且可能在其他问题中有用。我们的数值实验表明，所提出的方法具有竞争性或胜过两种现有方法，包括使用再现核和随机森林的方法，用于非参数分位数回归。