We study the problem of approximating stationary points of Lipschitz and smooth functions under $(\varepsilon,\delta)$-differential privacy (DP) in both the finite-sum and stochastic settings. A point $\widehat{w}$ is called an $\alpha$-stationary point of a function $F:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R}$ if $\|\nabla F(\widehat{w})\|\leq \alpha$. We provide a new efficient algorithm that finds an $\tilde{O}\big(\big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{2/3}\big)$-stationary point in the finite-sum setting, where $n$ is the number of samples. This improves on the previous best rate of $\tilde{O}\big(\big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{1/2}\big)$. We also give a new construction that improves over the existing rates in the stochastic optimization setting, where the goal is to find approximate stationary points of the population risk. Our construction finds a $\tilde{O}\big(\frac{1}{n^{1/3}} + \big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{1/2}\big)$-stationary point of the population risk in time linear in $n$. Furthermore, under the additional assumption of convexity, we completely characterize the sample complexity of finding stationary points of the population risk (up to polylog factors) and show that the optimal rate on population stationarity is $\tilde \Theta\big(\frac{1}{\sqrt{n}}+\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big)$. Finally, we show that our methods can be used to provide dimension-independent rates of $O\big(\frac{1}{\sqrt{n}}+\min\big(\big[\frac{\sqrt{rank}}{n\varepsilon}\big]^{2/3},\frac{1}{(n\varepsilon)^{2/5}}\big)\big)$ on population stationarity for Generalized Linear Models (GLM), where $rank$ is the rank of the design matrix, which improves upon the previous best known rate.


翻译:我们研究了在有限和与随机两种设定下,使用 $(\varepsilon,\delta)$-差分隐私(DP)逼近 Lipschitz 和光滑函数稳定点的问题。若点 $\widehat{w}$ 满足 $\|\nabla F(\widehat{w})\|\leq \alpha$,则称其为函数 $F:\mathbb{R}^d\rightarrow\mathbb{R}$ 的 $\alpha$-稳定点。在有限和设定中,我们提供了一种新高效算法,可找到 $\tilde{O}\big(\big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{2/3}\big)$-稳定点(其中 $n$ 为样本量),相较于此前最优的 $\tilde{O}\big(\big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{1/2}\big)$ 速率有所提升。在随机优化设定中(目标为逼近总体风险的近似稳定点),我们提出一种新构造,将现有速率改进为 $\tilde{O}\big(\frac{1}{n^{1/3}} + \big[\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big]^{1/2}\big)$,且计算时间与 $n$ 呈线性关系。进一步,在附加凸性假设下,我们完整刻画了寻找总体风险稳定点的样本复杂度(至多相差对数因子),并证明总体稳定性的最优速率为 $\tilde \Theta\big(\frac{1}{\sqrt{n}}+\frac{\sqrt{d}}{n\varepsilon}\big)$。最后,我们证明该方法可应用于广义线性模型(GLM),在总体稳定性上获得与维度无关的速率 $O\big(\frac{1}{\sqrt{n}}+\min\big(\big[\frac{\sqrt{rank}}{n\varepsilon}\big]^{2/3},\frac{1}{(n\varepsilon)^{2/5}}\big)\big)$(其中 $rank$ 为设计矩阵的秩),这相较于此前已知最优速率亦有提升。

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