In this paper, we tackle a novel federated learning (FL) problem for optimizing a family of compositional pairwise risks, to which no existing FL algorithms are applicable. In particular, the objective has the form of $\mathbb E_{\mathbf z\sim \mathcal S_1} f(\mathbb E_{\mathbf z'\sim\mathcal S_2} \ell(\mathbf w, \mathbf z, \mathbf z'))$, where two sets of data $\mathcal S_1, \mathcal S_2$ are distributed over multiple machines, $\ell(\cdot; \cdot,\cdot)$ is a pairwise loss that only depends on the prediction outputs of the input data pairs $(\mathbf z, \mathbf z')$, and $f(\cdot)$ is possibly a non-linear non-convex function. This problem has important applications in machine learning, e.g., AUROC maximization with a pairwise loss, and partial AUROC maximization with a compositional loss. The challenges for designing an FL algorithm lie in the non-decomposability of the objective over multiple machines and the interdependency between different machines. We propose two provable FL algorithms (FedX) for handling linear and nonlinear $f$, respectively. To address the challenges, we decouple the gradient's components with two types, namely active parts and lazy parts, where the active parts depend on local data that are computed with the local model and the lazy parts depend on other machines that are communicated/computed based on historical models and samples. We develop a novel theoretical analysis to combat the latency of the lazy parts and the interdependency between the local model parameters and the involved data for computing local gradient estimators. We establish both iteration and communication complexities and show that using the historical samples and models for computing the lazy parts do not degrade the complexities. We conduct empirical studies of FedX for deep AUROC and partial AUROC maximization, and demonstrate their performance compared with several baselines.


翻译:在本文中, 我们处理一个新颖的联盟式学习( FL) 问题, 以优化成份配对风险的组合。 其中没有应用现有的 FL 算法 。 特别是, 目标的形式是 $\ mathbb E ⁇ mathbf z\ mathcal S_ 1} f (mathbb E ⁇ mathbf z' sim\ mathicalsal S_ 2}\ ell (mathbf w w,\ mathbfter z,\ mathbetrialf z,\ mathbff z z) $。 其中两组数据不是 $mathalal S_ 1,\ mathaldal_ 2 美元分布在多个机器, $\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

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