Bilevel optimization has been widely applied to many machine learning tasks such as meta learning, hyperparameter learning and policy optimization. Although many optimization algorithms recently have been developed, few adaptive algorithm focuses on the bilevel problems under the distributed setting. It is well known that the adaptive gradient methods show superior performances on both distributed and non-distributed optimization. In the paper, thus, we propose an efficient adaptive federated bilevel optimization algorithm (i.e.,AdaFBiO) to solve the distributed bilevel optimization problems, where the objective function of Upper-Level (UL) problem is possibly nonconvex, and that of Lower-Level (LL) problem is strongly convex. Specifically, our AdaFBiO algorithm builds on the momentum-based variance reduced technique and local-SGD to obtain the best known sample and communication complexities simultaneously. In particular, our AdaFBiO algorithm uses the unified adaptive matrices to flexibly incorporate various adaptive learning rates to update variables in both UL and LL problems. Moreover, we provide a convergence analysis framework for our AdaFBiO algorithm, and prove that it reaches the sample complexity of $\tilde{O}(\epsilon^{-3})$ with communication complexity of $\tilde{O}(\epsilon^{-2})$ to find $\epsilon$-stationary point. Experimental results on federated hyper-representation learning and federated data hyper-cleaning tasks verify efficiency of our algorithm.


翻译:双层优化被广泛应用于许多机器学习任务,如元学习、超参数学习和政策优化等。虽然最近开发了许多优化算法,但几乎没有什么适应性算法侧重于分布式设置下的双层问题。众所周知,适应性梯度方法在分布式和非分布式优化上都表现出优异的性能。因此,在论文中,我们建议采用一种高效的适应性联合双层优化算法(即AdaFBiO)来解决分布式双层优化问题,即高层次(UL)问题的目标功能可能是非convex,低层次(LL)问题可能是很强的 convex。具体地说,我们的AdaFBiO的算法建立在基于动力差异的降低技术和本地-SGD上,以同时获得已知的最佳样本和通信复杂性。特别是,我们的AdaFBiO的算法使用统一的适应性矩阵,以灵活纳入各种适应性学习率,以更新UL和LLL代表制的变量。此外,我们为我们的AdaFBiO-L(L)级(LIO) 3{L) 3} 并且证明它已经达到了以美元SLILAxLAxL’S) IMLAxLAxlal=S) Exlelex IMLILLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 的 的样本任务 。

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