我们设计了一种算法，用于查找具有强大理论保证其性能的反事实算法。对于任何单调模型$ f：x^d \ to \ {0,1 \} $和instance $ x^\ star $，我们的算法make \ [{s（f））} \ cdot \ log d} \]查询到$ f $并返回{哪个$ f（x'）\ ne f（x^\ star）$。这里$ s（f）$是$ f $的灵敏度，lipschitz常数的分散类似物，$ \ delta_f（x^\ star）$是从$ x^\ star $到其最近的反事实的距离。以前最著名的查询复杂性是$ d^{\，o（\ delta_f（x^\ star））} $，可以通过Brute-Force Local Search实现。我们进一步证明了$ s（f）^{\ omega（\ delta_f（x^\ star））} + \ omega（\ log d）$的下限我们的算法本质上是最佳的。

我们考虑解释任意黑箱型号的预测的问题$ f $：给定查询访问$ f $和实例$ x $，输出一小组$ x $的功能，其中有基本上确定$ f（ x）$。我们设计了一种高效的算法，可提供证明的简洁和返回的解释的精度。现有算法是有效的，但缺乏这种保证，或实现了这种保证，但效率低下。我们通过连接{\ SL隐式}学习决策树的问题获得算法。这种学习任务的隐式性质即使在$ F $的复杂程度需要一个艰难的大代理决策树时也允许有效的算法。我们通过从学习理论，局部计算算法和复杂性理论中汇集技术来解决隐式学习问题。我们的“通过隐式学习解释”的方法，共享两个先前分散的分歧方法的元素，用于后期的解释，全局和本地解释，我们使它享有两者的优势。

我们提供了$ n ^ {o（\ log \ log n）} $ - 时间成员资格查询算法，用于在统一分布下统一分发的统一分布\ {\ pm 1 \} ^ n $。即使在可实现的设置中，上一个最快的运行时也是$ n ^ {o（\ log n）} $，这是ehrenfeucht和haussler的经典算法的结果。我们的算法与学习决策树的实用启发式分享了相似性，我们增加了额外的想法，以避免已知的这些启发式措施。为了分析我们的算法，我们证明了决策树的新结构结果，增强了O'Donnell，Saks，Schramm和Servedio的定理。虽然OSS定理表明每个决策树都有一个有影响力的变量，但我们展示了每个决策树如何“修剪”，以便产生的树中的每个变量都是有影响力的。

使用增强的框架，我们证明所有基于杂质的决策树学习算法（包括经典的ID3，C4.5和CART）都具有很高的噪音耐受性。我们的保证在讨厌的噪声的最强噪声模型下保持，我们在允许的噪声速率上提供了近乎匹配的上和下限。我们进一步表明，这些算法简单，长期以来一直是日常机器学习的核心，在嘈杂的环境中享受可证明的保证，这些环境是由关于决策树学习的理论文献中现有算法无与伦比的。综上所述，我们的结果增加了一项持续的研究线，该研究旨在将这些实际决策树算法的经验成功放在牢固的理论基础上。

令$ \ mathscr {f} _ {n，d} $为所有函数的类$ f：\ { - { - 1,1 \}^n \ to [-1,1] $ to $ n $ dipermensional discement to [-1,1] $超级立方体最多$ d $。在本文的第一部分中，我们证明了学习$ \ mathscr {f} _ {n，d} $的任何（确定性或随机）算法带有$ l_2 $ -accuracy $ \ varepsilon $至少需要$ \ omega（ （1- \ sqrt {\ varepsilon}）2^d \ log n）$ queries for tomy $ n $，从而将锋利性确定为$ n \ to \ fty \ fty \ infty $ y iffty $，eSkenazis and Ivanisvili（2021）（2021） 。为此，我们表明$ l_2 $ - 包装数字$ \ Mathsf {m}（\ Mathscr {f} _ {n，d}，\ | \ cdot \ | _ {l_2}，\ varepsilon）$概念类$ \ mathscr {f} _ {n，d} $满足双面估计$$ c（1- \ varepsilon）2^d \ log n \ log n \ leq \ log \ log \ mathsf {m mathsf {m}（\ mathscr） } _ {n，d}，\ | \ cdot \ | _ {l_2}，\ varepsilon）\ leq \ frac {2^{cd} \ log n} {\ varepsilon^4} $ n $ ，其中$ c，c> 0 $是通用常数。在本文的第二部分中，我们提出了一个对数上限，以实现有界近似多项式类别的随机查询复杂性，其傅立叶光谱集中在很少的子集上。作为应用程序，我们证明了学习给定程度的近似作者所需的随机查询数量的新估计值，具有快速衰减的傅立叶尾巴和给定尺寸的恒定深度电路的功能。最后，我们获得了学习多项式类$ \ mathscr {f} _ {n，d} $所需的查询数量的界限，而在查询和随机示例模型中没有错误。

我们建立了量子算法设计与电路下限之间的第一一般连接。具体来说，让$ \ mathfrak {c} $是一类多项式大小概念，假设$ \ mathfrak {c} $可以在统一分布下的成员查询，错误$ 1/2 - \ gamma $通过时间$ t $量子算法。我们证明如果$ \ gamma ^ 2 \ cdot t \ ll 2 ^ n / n $，则$ \ mathsf {bqe} \ nsubseteq \ mathfrak {c} $，其中$ \ mathsf {bqe} = \ mathsf {bque} [2 ^ {o（n）}] $是$ \ mathsf {bqp} $的指数时间模拟。在$ \ gamma $和$ t $中，此结果是最佳的，因为它不难学习（经典）时间$ t = 2 ^ n $（没有错误） ，或在Quantum Time $ t = \ mathsf {poly}（n）$以傅立叶采样为单位为1/2美元（2 ^ { - n / 2}）$。换句话说，即使对这些通用学习算法的边际改善也会导致复杂性理论的主要后果。我们的证明在学习理论，伪随机性和计算复杂性的几个作品上构建，并且至关重要地，在非凡的经典学习算法与由Oliveira和Santhanam建立的电路下限之间的联系（CCC 2017）。扩展他们对量子学习算法的方法，结果产生了重大挑战。为此，我们展示了伪随机发电机如何以通用方式意味着学习到较低的连接，构建针对均匀量子计算的第一个条件伪随机发生器，并扩展了Impagliazzo，JaiSwal的本地列表解码算法。 ，Kabanets和Wigderson（Sicomp 2010）通过微妙的分析到量子电路。我们认为，这些贡献是独立的兴趣，可能会发现其他申请。

公司跨行业对机器学习（ML）的快速传播采用了重大的监管挑战。一个这样的挑战就是可伸缩性：监管机构如何有效地审核这些ML模型，以确保它们是公平的？在本文中，我们启动基于查询的审计算法的研究，这些算法可以以查询有效的方式估算ML模型的人口统计学率。我们提出了一种最佳的确定性算法，以及具有可比保证的实用随机，甲骨文效率的算法。此外，我们进一步了解了随机活动公平估计算法的最佳查询复杂性。我们对主动公平估计的首次探索旨在将AI治理置于更坚定的理论基础上。

给定真实的假设类$ \ mathcal {h} $，我们在什么条件下调查有一个差异的私有算法，它从$ \ mathcal {h} $给出的最佳假设.I.i.d.数据。灵感来自最近的成果的二进制分类的相关环境（Alon等，2019; Bun等，2020），其中显示了二进制类的在线学习是必要的，并且足以追随其私人学习，Jung等人。 （2020）显示，在回归的设置中，$ \ mathcal {h} $的在线学习是私人可读性所必需的。这里的在线学习$ \ mathcal {h} $的特点是其$ \ eta $-sequentient胖胖子的优势，$ {\ rm sfat} _ \ eta（\ mathcal {h}）$，适用于所有$ \ eta> 0 $。就足够的私人学习条件而言，Jung等人。 （2020）显示$ \ mathcal {h} $私下学习，如果$ \ lim _ {\ eta \ downarrow 0} {\ rm sfat} _ \ eta（\ mathcal {h}）$是有限的，这是一个相当限制的健康）状况。我们展示了在轻松的条件下，\ LIM \ INF _ {\ eta \ downarrow 0} \ eta \ cdot {\ rm sfat} _ \ eta（\ mathcal {h}）= 0 $，$ \ mathcal {h} $私人学习，为\ \ rm sfat} _ \ eta（\ mathcal {h}）$ \ eta \ dockarrow 0 $ divering建立第一个非参数私人学习保证。我们的技术涉及一种新颖的过滤过程，以输出非参数函数类的稳定假设。

我们研究动态算法，以便在$ N $插入和删除流中最大化单调子模块功能的问题。我们显示任何维护$（0.5+ epsilon）$ - 在基数约束下的近似解决方案的算法，对于任何常数$ \ epsilon> 0 $，必须具有$ \ mathit {polynomial} $的摊销查询复杂性$ n $。此外，需要线性摊销查询复杂性，以维持0.584美元 - 批量的解决方案。这与近期[LMNF + 20，MON20]的最近动态算法相比，达到$（0.5- \ epsilon）$ - 近似值，与$ \ mathsf {poly} \ log（n）$摊销查询复杂性。在正面，当流是仅插入的时候，我们在基数约束下的问题和近似的Matroid约束下提供有效的算法，近似保证$ 1-1 / e-\ epsilon $和摊销查询复杂性$ \ smash {o （\ log（k / \ epsilon）/ \ epsilon ^ 2）} $和$ \ smash {k ^ {\ tilde {o}（1 / \ epsilon ^ 2）} \ log n} $，其中$ k $表示基数参数或Matroid的等级。

大多数-AT是确定联合正常形式（CNF）中输入$ N $的最低价公式的问题至少为2 ^ {n-1} $令人满意的作业。在对概率规划和推论复杂性的各种AI社区中，广泛研究了多数饱和问题。虽然大多数饱满为期40多年来，但自然变体的复杂性保持开放：大多数 - $ k $ SAT，其中输入CNF公式仅限于最多$ k $的子句宽度。我们证明，每辆$ k $，大多数 - $ k $ sat是在p的。事实上，对于任何正整数$ k $和ratic $ \ rho \ in（0,1）$ in（0,1）$与有界分比者，我们给出了算法这可以确定给定的$ k $ -cnf是否至少有$ \ rho \ cdot 2 ^ n $令人满意的分配，在确定性线性时间（而先前的最着名的算法在指数时间中运行）。我们的算法对计算复杂性和推理的复杂性具有有趣的积极影响，显着降低了相关问题的已知复杂性，例如E-Maj-$ K $ Sat和Maj-Maj- $ K $ Sat。在我们的方法中，通过提取在$ k $ -cnf的相应设置系统中发现的向日葵，可以通过提取向日葵来解决阈值计数问题的有效方法。我们还表明，大多数 - $ k $ sat的易腐烂性有些脆弱。对于密切相关的gtmajority-sat问题（我们询问给定公式是否超过2 ^ {n-1} $满足分配），这已知是pp-cleanting的，我们表明gtmajority-$ k $ sat在p for $ k \ le 3 $，但为$ k \ geq 4 $完成np-cleante。这些结果是违反直觉的，因为这些问题的“自然”分类将是PP完整性，因为GTMAJority的复杂性存在显着差异 - $ k $ SAT和MOSTION- $ K $ SAT为所有$ k \ ge 4 $。

Kernel matrices, as well as weighted graphs represented by them, are ubiquitous objects in machine learning, statistics and other related fields. The main drawback of using kernel methods (learning and inference using kernel matrices) is efficiency -- given $n$ input points, most kernel-based algorithms need to materialize the full $n \times n$ kernel matrix before performing any subsequent computation, thus incurring $\Omega(n^2)$ runtime. Breaking this quadratic barrier for various problems has therefore, been a subject of extensive research efforts. We break the quadratic barrier and obtain $\textit{subquadratic}$ time algorithms for several fundamental linear-algebraic and graph processing primitives, including approximating the top eigenvalue and eigenvector, spectral sparsification, solving linear systems, local clustering, low-rank approximation, arboricity estimation and counting weighted triangles. We build on the recent Kernel Density Estimation framework, which (after preprocessing in time subquadratic in $n$) can return estimates of row/column sums of the kernel matrix. In particular, we develop efficient reductions from $\textit{weighted vertex}$ and $\textit{weighted edge sampling}$ on kernel graphs, $\textit{simulating random walks}$ on kernel graphs, and $\textit{importance sampling}$ on matrices to Kernel Density Estimation and show that we can generate samples from these distributions in $\textit{sublinear}$ (in the support of the distribution) time. Our reductions are the central ingredient in each of our applications and we believe they may be of independent interest. We empirically demonstrate the efficacy of our algorithms on low-rank approximation (LRA) and spectral sparsification, where we observe a $\textbf{9x}$ decrease in the number of kernel evaluations over baselines for LRA and a $\textbf{41x}$ reduction in the graph size for spectral sparsification.

我们提出了改进的算法，并为身份测试$ n $维分布的问题提供了统计和计算下限。在身份测试问题中，我们将作为输入作为显式分发$ \ mu $，$ \ varepsilon> 0 $，并访问对隐藏分布$ \ pi $的采样甲骨文。目标是区分两个分布$ \ mu $和$ \ pi $是相同的还是至少$ \ varepsilon $ -far分开。当仅从隐藏分布$ \ pi $中访问完整样本时，众所周知，可能需要许多样本，因此以前的作品已经研究了身份测试，并额外访问了各种有条件采样牙齿。我们在这里考虑一个明显弱的条件采样甲骨文，称为坐标Oracle，并在此新模型中提供了身份测试问题的相当完整的计算和统计表征。我们证明，如果一个称为熵的分析属性为可见分布$ \ mu $保留，那么对于任何使用$ \ tilde {o}（n/\ tilde {o}），有一个有效的身份测试算法Varepsilon）$查询坐标Oracle。熵的近似张力是一种经典的工具，用于证明马尔可夫链的最佳混合时间边界用于高维分布，并且最近通过光谱独立性为许多分布族建立了最佳的混合时间。我们将算法结果与匹配的$ \ omega（n/\ varepsilon）$统计下键进行匹配的算法结果补充，以供坐标Oracle下的查询数量。我们还证明了一个计算相变：对于$ \ {+1，-1，-1 \}^n $以上的稀疏抗抗铁磁性模型，在熵失败的近似张力失败的状态下，除非RP = np，否则没有有效的身份测试算法。

我们研究了算法收到I.I.D的统计问题中对抗噪声模型的基本问题。从分发$ \ mathcal {d} $绘制。这些对手的定义指定了允许的损坏类型（噪声模型）以及可以进行这些损坏（适应性）;后者区别了唯一可以损坏分发$ \ mathcal {d} $和适应性对手的疏忽，这些对手可以损坏他们的腐败依赖于从$ \ mathcal {d} $绘制的特定样本$ s $。在这项工作中，我们调查了在文献中研究的所有噪声模型中是否有效地相当于自适应对手。具体而言，算法$ \ mathcal {a} $的行为可以在不受算法$ \ mathcal {a}'$的情况下始终受到适应性对手的存在的良好近似？我们的第一个结果表明，这确实是在所有合理的噪声模型下广泛的统计查询算法的情况。然后，我们显示在附加噪声的具体情况下，这种等价物适用于所有算法。最后，我们将所有算法和所有合理的噪声模型中的最丰富的一般性映射到最完整的普遍性的方法。

最近已经提出了几个查询和分数来解释对ML模型的个人预测。鉴于ML型号的灵活，可靠和易于应用的可解释性方法，我们预见了需要开发声明语言以自然地指定不同的解释性查询。我们以原则的方式通过源于逻辑，称为箔，允许表达许多简单但重要的解释性查询，并且可以作为更具表现力解释性语言的核心来实现这一语言。我们研究箔片查询的两类ML模型的计算复杂性经常被视为容易解释：决策树和OBDD。由于ML模型的可能输入的数量是尺寸的指数，因此箔评估问题的易易性是精细的，但是可以通过限制模型的结构或正在评估的箔片段来实现。我们还以高级声明语言包装的箔片的原型实施，并执行实验，表明可以在实践中使用这种语言。

我们研究了用于线性回归的主动采样算法，该算法仅旨在查询目标向量$ b \ in \ mathbb {r} ^ n $的少量条目，并将近最低限度输出到$ \ min_ {x \ In \ mathbb {r} ^ d} \ | ax-b \ | $，其中$ a \ in \ mathbb {r} ^ {n \ times d} $是一个设计矩阵和$ \ | \ cdot \ | $是一些损失函数。对于$ \ ell_p $ norm回归的任何$ 0 <p <\ idty $，我们提供了一种基于Lewis权重采样的算法，其使用只需$ \ tilde {o}输出$（1+ \ epsilon）$近似解决方案（d ^ {\ max（1，{p / 2}）} / \ mathrm {poly}（\ epsilon））$查询到$ b $。我们表明，这一依赖于$ D $是最佳的，直到对数因素。我们的结果解决了陈和Derezi的最近开放问题，陈和Derezi \'{n} Ski，他们为$ \ ell_1 $ norm提供了附近的最佳界限，以及$ p \中的$ \ ell_p $回归的次优界限（1,2） $。我们还提供了$ O的第一个总灵敏度上限（D ^ {\ max \ {1，p / 2 \} \ log ^ 2 n）$以满足最多的$ p $多项式增长。这改善了Tukan，Maalouf和Feldman的最新结果。通过将此与我们的技术组合起来的$ \ ell_p $回归结果，我们获得了一个使$ \ tilde o的活动回归算法（d ^ {1+ \ max \ {1，p / 2 \}} / \ mathrm {poly}。 （\ epsilon））$疑问，回答陈和德里兹的另一个打开问题{n}滑雪。对于Huber损失的重要特殊情况，我们进一步改善了我们对$ \ tilde o的主动样本复杂性的绑定（d ^ {（1+ \ sqrt2）/ 2} / \ epsilon ^ c）$和非活跃$ \ tilde o的样本复杂性（d ^ {4-2 \ sqrt 2} / \ epsilon ^ c）$，由于克拉克森和伍德拉夫而改善了Huber回归的以前的D ^ 4 $。我们的敏感性界限具有进一步的影响，使用灵敏度采样改善了各种先前的结果，包括orlicz规范子空间嵌入和鲁棒子空间近似。最后，我们的主动采样结果为每种$ \ ell_p $ norm提供的第一个Sublinear时间算法。

众所周知，给定顺滑，界限 - 下面，并且可能的非透露函数，标准梯度的方法可以找到$ \ epsilon $ -stationary积分（渐变范围小于$ \ epsilon $）$ \ mathcal {O}（1 / \ epsilon ^ 2）$迭代。然而，许多重要的非渗透优化问题，例如与培训现代神经网络相关的问题，本质上是不平衡的，使这些结果不适用。在本文中，我们研究了来自Oracle复杂性视点的非透射性优化，其中假设算法仅向各个点处的函数提供访问。我们提供两个主要结果：首先，我们考虑越近$ \ epsilon $ -storationary积分的问题。这也许是找到$ \ epsilon $ -storationary积分的最自然的放松，这在非对象案例中是不可能的。我们证明，对于任何距离和epsilon $小于某些常数，无法有效地实现这种轻松的目标。我们的第二次结果涉及通过减少到平滑的优化来解决非光度非渗透优化的可能性：即，在光滑的近似值对目标函数的平滑近似下应用平滑的优化方法。对于这种方法，我们在温和的假设下证明了oracle复杂性和平滑度之间的固有权衡：一方面，可以非常有效地平滑非光滑非凸函数（例如，通过随机平滑），但具有尺寸依赖性因子在平滑度参数中，在插入标准平滑优化方法时，这会强烈影响迭代复杂性。另一方面，可以用合适的平滑方法消除这些尺寸因子，而是仅通过使平滑过程的Oracle复杂性呈指数大。

许多聚类算法由某些成本函数引导，例如广泛使用的$ k $ -means成本。这些算法将数据点划分为具有经常复杂的边界的集群，在解释聚类决策时创造了困难。在最近的工作中，Dasgupta，Frost，Moshkovitz和Rashtchian（ICML 2020）引入了可解释的聚类，其中群集边界是轴并行超平面，并且通过将决策树应用于数据来获得群集。这里的核心问题是：解释性限制增加了多少成本函数的值？鉴于$ d $ -dimensional数据点，我们显示了一个有效的算法，该算法找到了可解释的群集，其$ k $ -means成本为$ k ^ {1 - 2 / d} \，\ mathrm {poly}（d \ log k）在没有可解释性约束的情况下，群集可实现的最低成本的$倍，假设$ k，d \ ge 2 $。通过Makarychev-Shan（ICML 2021），Gamlath-jia-polak-svensson（2021），或esfandiari-mirrokni - Narayanan（2021），我们得到了$ k ^ {1 - 2 / d} \，\ mathrm {polylog}（k）$的改进界限，我们为每种选择$ k，d \ ge 2 $最多可为$ k $的多对数因子。对于$ d = 2 $特别地，我们显示$ o（\ log k \ log \ log k）$绑定，在leaker和murtinho的$ o（k \ log k）$的以前最佳界限的近乎指数上（ICML 2021）。

我们考虑从数据学习树结构ising模型的问题，使得使用模型计算的后续预测是准确的。具体而言，我们的目标是学习一个模型，使得小组变量$ S $的后海报$ p（x_i | x_s）$。自推出超过50年以来，有效计算最大似然树的Chow-Liu算法一直是学习树结构图形模型的基准算法。 [BK19]示出了关于以预测的局部总变化损耗的CHOW-LIU算法的样本复杂性的界限。虽然这些结果表明，即使在恢复真正的基础图中也可以学习有用的模型是不可能的，它们的绑定取决于相互作用的最大强度，因此不会达到信息理论的最佳选择。在本文中，我们介绍了一种新的算法，仔细结合了Chow-Liu算法的元素，以便在预测的损失下有效地和最佳地学习树ising模型。我们的算法对模型拼写和对抗损坏具有鲁棒性。相比之下，我们表明庆祝的Chow-Liu算法可以任意次优。

Learning problems form an important category of computational tasks that generalizes many of the computations researchers apply to large real-life data sets. We ask: what concept classes can be learned privately, namely, by an algorithm whose output does not depend too heavily on any one input or specific training example? More precisely, we investigate learning algorithms that satisfy differential privacy, a notion that provides strong confidentiality guarantees in contexts where aggregate information is released about a database containing sensitive information about individuals.Our goal is a broad understanding of the resources required for private learning in terms of samples, computation time, and interaction. We demonstrate that, ignoring computational constraints, it is possible to privately agnostically learn any concept class using a sample size approximately logarithmic in the cardinality of the concept class. Therefore, almost anything learnable is learnable privately: specifically, if a concept class is learnable by a (non-private) algorithm with polynomial sample complexity and output size, then it can be learned privately using a polynomial number of samples. We also present a computationally efficient private PAC learner for the class of parity functions. This result dispels the similarity between learning with noise and private learning (both must be robust to small changes in inputs), since parity is thought to be very hard to learn given random classification noise.Local (or randomized response) algorithms are a practical class of private algorithms that have received extensive investigation. We provide a precise characterization of local private learning algorithms. We show that a concept class is learnable by a local algorithm if and only if it is learnable in the statistical query (SQ) model. Therefore, for local private learning algorithms, the similarity to learning with noise is stronger: local learning is equivalent to SQ learning, and SQ algorithms include most known noise-tolerant learning algorithms. Finally, we present a separation between the power of interactive and noninteractive local learning algorithms. Because of the equivalence to SQ learning, this result also separates adaptive and nonadaptive SQ learning.

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。