我们引入了通过随机梯度下降（SGD）来解决鲁棒回归的数据结构，通过对概率与其规范成正比，即重要性采样成正比进行采样。尽管SGD广泛用于大规模机器学习，但由于均匀抽样的较高差异，它可能会经历缓慢的收敛速率而闻名。另一方面，重要性采样可以显着降低差异，但通常很难实施，因为计算采样概率需要对数据进行额外的通过，在这种情况下，可以使用标准梯度下降（GD）。在本文中，我们介绍了一种算法，该算法大约将$ d $ d $ d $ $ d $ d $的算法从$ n $行超过$ n $行的强大回归问题中的最佳重要性采样分布中进行采样。因此，我们的算法在使用sublinear空间时有效地运行了$ t $ t $ sgd，并具有重要的采样，并且只是对数据进行了一次通过。我们的技术还扩展到对二阶优化的重要性采样。

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。

我们提出了一种输入稀疏时间抽样算法，该算法可以近似于$ q $ - 折叠的列量张量产品$ q $矩阵的量子矩阵，使用几乎最佳的样品，从（q）$因素。此外，对于数据集的$ q $倍自量量的重要特殊情况，这是学位的功能矩阵-y $ q $ polyenmial kernel，我们方法运行时的领先术语与该方法的大小成正比输入数据集，并且不依赖$ Q $。以前的技术要么在其运行时产生Poly $（Q）$的放缓，要么以$ Q $的依赖性为代价，但要以次优目标维度为代价，并在其运行时四处依赖于数据点的数量。我们的抽样技术依赖于$ q $部分相关的随机预测的集合，这些预测可以同时应用于数据集$ x $的总时间，这仅取决于$ x $的大小，同时又有其$ q $ - fold kronecker产品在$ x^{\ otimes q} $的列跨度中的任何固定向量的近乎等值线。我们还表明，我们的采样方法概括为多项式以外的其他类别的内核，例如高斯和神经切线核。

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

We study the relationship between adversarial robustness and differential privacy in high-dimensional algorithmic statistics. We give the first black-box reduction from privacy to robustness which can produce private estimators with optimal tradeoffs among sample complexity, accuracy, and privacy for a wide range of fundamental high-dimensional parameter estimation problems, including mean and covariance estimation. We show that this reduction can be implemented in polynomial time in some important special cases. In particular, using nearly-optimal polynomial-time robust estimators for the mean and covariance of high-dimensional Gaussians which are based on the Sum-of-Squares method, we design the first polynomial-time private estimators for these problems with nearly-optimal samples-accuracy-privacy tradeoffs. Our algorithms are also robust to a constant fraction of adversarially-corrupted samples.

科恩（Cohen）和彭（Peng）的开创性工作向理论计算机科学界推出了刘易斯（Lewis）的重量抽样，从而产生了快速采样算法的近似值$ d $二维子空间$ \ ell_p $ to $ \ ell_p $ to $ \ ell_p $ to $（1+ \ epsilon）$错误。几项工作将这一重要原始性扩展到其他设置，包括在线核心，滑动窗口和对抗流型模型。但是，这些结果仅适用于\ {1,2 \} $中的$ p \，$ p = 1 $的结果需要一个次优$ \ tilde o（d^2/\ epsilon^2）$样本。在这项工作中，我们设计了第一个几乎最佳的$ \ ell_p $ subspace嵌入在（0，\ infty）$中的所有$ p \ in Online Coreset，滑动窗口和对抗流型模型中的第一个$ p \。在所有三个模型中，我们的算法存储$ \ tilde o（d^{1 \ lor（p/2）}/\ epsilon^2）$行。这回答了[bdmmuwz2020]的主要开放问题的实质性概括，并给出了所有$ p \ notin \ {1,2 \} $的第一个结果。为了我们的结果，我们首先分析了“一击”采样行对其刘易斯重量的采样行采样，带有样品复杂性$ \ tilde o（d^{p/2}/\ epsilon^2）$对于$ p> 2 $。以前，该方案仅具有样品复杂性$ \ tilde o（d^{p/2}/\ epsilon^5）$，而$ \ tilde o（d^{p/2） }/\ epsilon^2）$是否使用了更复杂的递归抽样。递归抽样不能在线实施，因此需要对一击刘易斯重量采样进行分析。我们的分析使用与在线数字线性代数的新颖连接。 [MSSW2018]引入的复杂性参数$ \ mu $，我们显示第一个下限表明对$ \ mu $的线性依赖性是必要的。

我们在高维批处理设置中提出了统计上健壮和计算高效的线性学习方法，其中功能$ d $的数量可能超过样本量$ n $。在通用学习环境中，我们采用两种算法，具体取决于所考虑的损失函数是否为梯度lipschitz。然后，我们将我们的框架实例化，包括几种应用程序，包括香草稀疏，群 - 帕克斯和低升级矩阵恢复。对于每种应用，这导致了有效而强大的学习算法，这些算法在重尾分布和异常值的存在下达到了近乎最佳的估计率。对于香草$ S $ -SPARSITY，我们能够以重型尾巴和$ \ eta $ - 腐败的计算成本与非企业类似物相当的计算成本达到$ s \ log（d）/n $速率。我们通过开放源代码$ \ mathtt {python} $库提供了有效的算法实现文献中提出的最新方法。

在这项工作中，我们研究了一个非负矩阵分解的变体，我们希望找到给定输入矩阵的对称分解成稀疏的布尔矩阵。正式说话，给定$ \ mathbf {m} \ in \ mathbb {z} ^ {m \ times m} $，我们想找到$ \ mathbf {w} \ in \ {0,1 \} ^ {m \ times $} $这样$ \ | \ mathbf {m} - \ mathbf {w} \ mathbf {w} ^ \ top \ | _0 $在所有$ \ mathbf {w} $中最小化为$ k $ -parse。这个问题结果表明与恢复线图中的超图以及私人神经网络训练的重建攻击相比密切相关。由于这个问题在最坏的情况下，我们研究了在这些重建攻击的背景下出现的自然平均水平变体：$ \ mathbf {m} = \ mathbf {w} \ mathbf {w} ^ {\ top $ \ mathbf {w} $ \ mathbf {w} $ k $ -parse行的随机布尔矩阵，目标是恢复$ \ mathbf {w} $上列排列。等效，这可以被认为是从其线图中恢复均匀随机的k $ k $。我们的主要结果是基于对$ \ MATHBF {W} $的引导高阶信息的此问题的多项式算法，然后分解适当的张量。我们分析中的关键成分，可能是独立的兴趣，是表示这种矩阵$ \ mathbf {w} $在$ m = \ widetilde {\ omega}（r）时，这一矩阵$ \ mathbf {w} $具有高概率。 $，我们使用Littlewood-Offord理论的工具和二进制Krawtchouk多项式的估算。

我们给出了第一个多项式算法来估计$ d $ -variate概率分布的平均值，从$ \ tilde {o}（d）$独立的样本受到纯粹的差异隐私的界限。此问题的现有算法无论是呈指数运行时间，需要$ \ OMEGA（D ^ {1.5}）$样本，或仅满足较弱的集中或近似差分隐私条件。特别地，所有先前的多项式算法都需要$ d ^ {1+ \ omega（1）} $ samples，以保证“加密”高概率，1-2 ^ { - d ^ {\ omega（1） $，虽然我们的算法保留$ \ tilde {o}（d）$ SAMPS复杂性即使在此严格设置中也是如此。我们的主要技术是使用强大的方块方法（SOS）来设计差异私有算法的新方法。算法的证据是在高维算法统计数据中的许多近期作品中的一个关键主题 - 显然需要指数运行时间，但可以通过低度方块证明可以捕获其分析可以自动变成多项式 - 时间算法具有相同的可证明担保。我们展示了私有算法的类似证据现象：工作型指数机制的实例显然需要指数时间，但可以用低度SOS样张分析的指数时间，可以自动转换为多项式差异私有算法。我们证明了捕获这种现象的元定理，我们希望在私人算法设计中广泛使用。我们的技术还在高维度之间绘制了差异私有和强大统计数据之间的新连接。特别是通过我们的校验算法镜头来看，几次研究的SOS证明在近期作品中的算法稳健统计中直接产生了我们差异私有平均估计算法的关键组成部分。

我们提出了一个算法框架，用于近距离矩阵上的量子启发的经典算法，概括了Tang的突破性量子启发算法开始的一系列结果，用于推荐系统[STOC'19]。由量子线性代数算法和gily \'en，su，low和wiebe [stoc'19]的量子奇异值转换（SVT）框架[SVT）的动机[STOC'19]，我们开发了SVT的经典算法合适的量子启发的采样假设。我们的结果提供了令人信服的证据，表明在相应的QRAM数据结构输入模型中，量子SVT不会产生指数量子加速。由于量子SVT框架基本上概括了量子线性代数的所有已知技术，因此我们的结果与先前工作的采样引理相结合，足以概括所有有关取消量子机器学习算法的最新结果。特别是，我们的经典SVT框架恢复并经常改善推荐系统，主成分分析，监督聚类，支持向量机器，低秩回归和半决赛程序解决方案的取消结果。我们还为汉密尔顿低级模拟和判别分析提供了其他取消化结果。我们的改进来自识别量子启发的输入模型的关键功能，该模型是所有先前量子启发的结果的核心：$ \ ell^2 $ -Norm采样可以及时近似于其尺寸近似矩阵产品。我们将所有主要结果减少到这一事实，使我们的简洁，独立和直观。

We study the fundamental task of outlier-robust mean estimation for heavy-tailed distributions in the presence of sparsity. Specifically, given a small number of corrupted samples from a high-dimensional heavy-tailed distribution whose mean $\mu$ is guaranteed to be sparse, the goal is to efficiently compute a hypothesis that accurately approximates $\mu$ with high probability. Prior work had obtained efficient algorithms for robust sparse mean estimation of light-tailed distributions. In this work, we give the first sample-efficient and polynomial-time robust sparse mean estimator for heavy-tailed distributions under mild moment assumptions. Our algorithm achieves the optimal asymptotic error using a number of samples scaling logarithmically with the ambient dimension. Importantly, the sample complexity of our method is optimal as a function of the failure probability $\tau$, having an additive $\log(1/\tau)$ dependence. Our algorithm leverages the stability-based approach from the algorithmic robust statistics literature, with crucial (and necessary) adaptations required in our setting. Our analysis may be of independent interest, involving the delicate design of a (non-spectral) decomposition for positive semi-definite matrices satisfying certain sparsity properties.

算法高斯化是一种现象，当使用随机素描或采样方法生成较小的大数据集的较小表示时，可能会出现的现象：对于某些任务，已经观察到这些草图表示表现出许多可靠的性能特征，这些性能是在数据样本中出现的，这些性能来自次高斯随机设计，是一个强大的数据分布统计模型。但是，这种现象仅研究了特定的任务和指标，或依靠计算昂贵的方法。我们通过为平均值提供用于高斯数据分布的算法框架来解决这一问题，并证明可以有效构建几乎无法区分的数据草图（与亚高斯随机设计有关的总变化距离）。特别是，依靠最近引入的素描技术称为杠杆得分稀疏（少）嵌入，我们表明一个人可以构造$ n \ times d $矩阵$ a $的$ n \ times d $ sketch of $ n \ times d $ n \ ll n $，几乎与次高斯设计几乎没有区别$ a $中的非零条目的数量。结果，可以直接适用于我们的草图框架，可直接适用于我们的草图框架。我们通过对草图最小二乘正方形的新近似保证进行了说明。

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.

我们给出了一种基于草图的迭代算法，该算法计算$ 1 +\ varepsilon $近似解决方案，用于脊回归问题$ \ min_x \ | ax-b \ | ax-b \ | _2^2 +\ lambda \ lambda \ | x \ | x \ | _2^2 $ were $ a \ in r^{n \ times d} $带有$ d \ ge n $。我们的算法对于恒定数量的迭代（需要输入量的恒定通过），通过要求素描矩阵仅具有较弱的近似矩阵乘法（AMM）保证，可以改善早期工作（Chowdhury等人）（Chowdhury等人）。在$ \ varepsilon $上，以及恒定的子空间嵌入保证。相反，较早的工作要求素描矩阵具有取决于$ \ varepsilon $的子空间嵌入保证。例如，要在$ 1 $迭代中生产$ 1+\ varepsilon $近似解决方案，需要$ 2 $通过输入，我们的算法需要OSNAP嵌入$ m = o（n \ sigma^2/\ lambda \ lambda \ varepsilon \ varepsilon ）带有稀疏参数$ s = o（\ log（n））$的$行，而Chowdhury等人的早期算法。使用相同数量的OSNAP行需要稀疏$ s = o（\ sqrt {\ sigma^2/\ lambda \ varepsilon} \ cdot \ log（n））$，其中$ \ sigma = \ opnorm = \ opnorm {a}是矩阵$ a $的光谱规范。我们还表明，该算法可用于为内核脊回归提供更快的算法。最后，我们表明，我们的算法所需的草图大小实质上对于山脊回归算法的自然框架实质上是最佳的，它通过证明AMM的遗漏素描矩阵上的下限。 AMM的草图大小的下限可能具有独立的兴趣。

我们研究了在存在$ \ epsilon $ - 对抗异常值的高维稀疏平均值估计的问题。先前的工作为此任务获得了该任务的样本和计算有效算法，用于辅助性Subgaussian分布。在这项工作中，我们开发了第一个有效的算法，用于强大的稀疏平均值估计，而没有对协方差的先验知识。对于$ \ Mathbb r^d $上的分布，带有“认证有限”的$ t $ tum-矩和足够轻的尾巴，我们的算法达到了$ o（\ epsilon^{1-1/t}）$带有样品复杂性$的错误（\ epsilon^{1-1/t}） m =（k \ log（d））^{o（t）}/\ epsilon^{2-2/t} $。对于高斯分布的特殊情况，我们的算法达到了$ \ tilde o（\ epsilon）$的接近最佳错误，带有样品复杂性$ m = o（k^4 \ mathrm {polylog}（d）（d））/\ epsilon^^ 2 $。我们的算法遵循基于方形的总和，对算法方法的证明。我们通过统计查询和低度多项式测试的下限来补充上限，提供了证据，表明我们算法实现的样本时间 - 错误权衡在质量上是最好的。

我们研究了清单可解放的平均估计问题，而对手可能会破坏大多数数据集。具体来说，我们在$ \ mathbb {r} ^ $和参数$ 0 <\ alpha <\ frac 1 2 $中给出了一个$ $ n $ points的$ t $ points。$ \ alpha $ -flaction的点$ t $是iid来自乖巧的分发$ \ Mathcal {D} $的样本，剩余的$（1- \ alpha）$ - 分数是任意的。目标是输出小型的vectors列表，其中至少一个接近$ \ mathcal {d} $的均值。我们开发新的算法，用于列出可解码的平均值估计，实现几乎最佳的统计保证，运行时间$ O（n ^ {1 + \ epsilon_0} d）$，适用于任何固定$ \ epsilon_0> 0 $。所有先前的此问题算法都有额外的多项式因素在$ \ frac 1 \ alpha $。我们与额外技术一起利用此结果，以获得用于聚类混合物的第一个近几个线性时间算法，用于分开的良好表现良好的分布，几乎匹配谱方法的统计保证。先前的聚类算法本身依赖于$ k $ -pca的应用程序，从而产生$ \ omega（n d k）$的运行时。这标志着近二十年来这个基本统计问题的第一次运行时间改进。我们的方法的起点是基于单次矩阵乘法权重激发电位减少的$ \ Alpha \至1 $制度中的新颖和更简单的近线性时间较强的估计算法。在Diakonikolas等人的迭代多滤波技术的背景下，我们迫切地利用了这种新的算法框架。 '18，'20，提供一种使用一维投影的同时群集和下群点的方法 - 因此，绕过先前算法所需的$ k $ -pca子程序。

本文展示了如何适应$ k $ -MEANS问题的几种简单和经典的基于采样的算法，以使用离群值设置。最近，Bhaskara等人。 （Neurips 2019）展示了如何将古典$ K $ -MEANS ++算法适应与异常值的设置。但是，他们的算法需要输出$ o（\ log（k）\ cdot z）$ outiers，其中$ z $是true Outliers的数量，以匹配$ o（\ log k）$ - 近似值的$ k的近似保证$ -Means ++。在本文中，我们以他们的想法为基础，并展示了如何适应几个顺序和分布式的$ k $ - 均值算法，但使用离群值来设置，但具有更强的理论保证：我们的算法输出$（1+ \ VAREPSILON）z $ OUTLIERS Z $ OUTLIERS在实现$ o（1 / \ varepsilon）$ - 近似目标函数的同时。在顺序世界中，我们通过改编Lattanzi和Sohler的最新算法来实现这一目标（ICML 2019）。在分布式设置中，我们适应了Guha等人的简单算法。 （IEEE Trans。知道和数据工程2003）以及Bahmani等人的流行$ K $ -Means $ \ | $。 （PVLDB 2012）。我们技术的理论应用是一种具有运行时间$ \ tilde {o}（nk^2/z）$的算法，假设$ k \ ll z \ ll n $。这与Omacle模型中此问题的$ \ Omega（NK^2/z）$的匹配下限相互补。

我们创建经典的（非量词）动态数据结构，为推荐系统和最小二乘回归的查询提供了与量子类似物相当的查询。近年来，这种算法的去量化引起了人们的关注。我们为这些问题获得了更清晰的界限。更重要的是，我们通过争辩说，这些问题的先前量子启发算法正在做杠杆或脊杠杆得分取样，以实现这些改进。这些是随机数值线性代数中强大而标准的技术。有了这种识别，我们能够在数值线性代数中采用大量工作来获得这些问题的算法，这些算法比现有方法更简单或更快（或两者兼而有之）。我们的实验表明，所提出的数据结构在现实世界数据集上也很好地工作。

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

当我们扩大数据集，模型尺寸和培训时间时，深入学习方法的能力中存在越来越多的经验证据。尽管有一些关于这些资源如何调节统计能力的说法，但对它们对模型培训的计算问题的影响知之甚少。这项工作通过学习$ k $ -sparse $ n $ bits的镜头进行了探索，这是一个构成理论计算障碍的规范性问题。在这种情况下，我们发现神经网络在扩大数据集大小和运行时间时会表现出令人惊讶的相变。特别是，我们从经验上证明，通过标准培训，各种体系结构以$ n^{o（k）} $示例学习稀疏的平等，而损失（和错误）曲线在$ n^{o（k）}后突然下降。 $迭代。这些积极的结果几乎匹配已知的SQ下限，即使没有明确的稀疏性先验。我们通过理论分析阐明了这些现象的机制：我们发现性能的相变不到SGD“在黑暗中绊倒”，直到它找到了隐藏的特征集（自然算法也以$ n^中的方式运行{o（k）} $ time）;取而代之的是，我们表明SGD逐渐扩大了人口梯度的傅立叶差距。