Angluin的L*算法使用会员资格和等价查询了解了常规语言的最低（完整）确定性有限自动机（DFA）。它的概率近似正确（PAC）版本用足够大的随机会员查询替换等效查询，以使答案获得高级信心。因此，它可以应用于任何类型的（也是非规范）设备，可以将其视为合成自动机的算法，该算法根据观测值抽象该设备的行为。在这里，我们对Angluin的PAC学习算法对通过引入一些噪音从DFA获得的设备感兴趣。更确切地说，我们研究盎格鲁因算法是否会降低噪声并产生与原始设备更接近原始设备的DFA。我们提出了几种介绍噪声的方法：（1）嘈杂的设备将单词的分类W.R.T.倒置。具有很小概率的DFA，（2）嘈杂的设备在询问其分类W.R.T.之前用小概率修改了单词的字母。 DFA和（3）嘈杂的设备结合了W.R.T.单词的分类。 DFA及其分类W.R.T.柜台自动机。我们的实验是在数百个DFA上进行的。直言不讳地表明，我们的主要贡献表明：（1）每当随机过程产生嘈杂的设备时，盎格鲁因算法的行为都很好，（2）但使用结构化的噪声却很差，并且（3）几乎肯定是随机性的产量具有非竞争性语言的系统。

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。

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.

复杂的事件识别（CER）系统在过去二十年中变得流行，因为它们能够“立即”检测在实时事件流上的模式。然而，缺乏预测模式可能发生在例如由Cer发动机实际检测到这种发生之前的模式。我们提出了一项正式的框架，试图解决复杂事件预测（CEF）的问题。我们的框架结合了两个形式主义：a）用于编码复杂事件模式的符号自动机; b）预测后缀树，可以提供自动机构的行为的简洁概率描述。我们比较我们提出的方法，以防止最先进的方法，并在准确性和效率方面展示其优势。特别地，预测后缀树是可变的马尔可夫模型，可以通过仅记住足够的信息的过去序列来捕获流中的长期依赖性。我们的实验结果表明了能够捕获这种长期依赖性的准确性的益处。这是通过增加我们模型的顺序来实现的，以满足需要执行给定顺序的所有可能的过去序列的所有可能的过去序列的详尽枚举的全阶马尔可夫模型。我们还广泛讨论CEF解决方案如何最佳地评估其预测的质量。

RL常用的启发式是经验重放（例如〜\ CiteT {Lin1993ReInforcement，Mnih2015human}），其中一个学习者商店和重新使用过去的轨迹，好像它们在线采样。在这项工作中，我们在表格Q-Learning的设置中启动了对这种启发式的严格研究。我们提供了融合率保证，并讨论如何与Q-Leature的融合相比，这取决于诸如重播迭代的频率和数量的重要参数。我们还通过引入和分析简单的MDP，提供理论上的证据显示我们可能期待这一启发式的启发式态度。最后，我们提供了一些实验来支持我们的理论发现。

差异隐私通常使用比理论更大的隐私参数应用于理想的理想。已经提出了宽大隐私参数的各种非正式理由。在这项工作中，我们考虑了部分差异隐私（DP），该隐私允许以每个属性为基础量化隐私保证。在此框架中，我们研究了几个基本数据分析和学习任务，并设计了其每个属性隐私参数的算法，其较小的人（即所有属性）的最佳隐私参数比最佳的隐私参数。

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。

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。

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。

Machine learning algorithms, when applied to sensitive data, pose a distinct threat to privacy. A growing body of prior work demonstrates that models produced by these algorithms may leak specific private information in the training data to an attacker, either through the models' structure or their observable behavior. However, the underlying cause of this privacy risk is not well understood beyond a handful of anecdotal accounts that suggest overfitting and influence might play a role.This paper examines the effect that overfitting and influence have on the ability of an attacker to learn information about the training data from machine learning models, either through training set membership inference or attribute inference attacks. Using both formal and empirical analyses, we illustrate a clear relationship between these factors and the privacy risk that arises in several popular machine learning algorithms. We find that overfitting is sufficient to allow an attacker to perform membership inference and, when the target attribute meets certain conditions about its influence, attribute inference attacks. Interestingly, our formal analysis also shows that overfitting is not necessary for these attacks and begins to shed light on what other factors may be in play. Finally, we explore the connection between membership inference and attribute inference, showing that there are deep connections between the two that lead to effective new attacks.

识别概率上下文无语法的问题有两个方面：第一个是确定语法的拓扑（语法规则），第二个是估计每个规则的概率权重。考虑到一般来说，尤其是学习无上下文语法的硬度结果，尤其是概率语法，大多数文献都集中在第二个问题上。在这项工作中，我们解决了第一个问题。我们将注意力限制在结构上明确的无上下文语法（SUWCFG）上，并为\提供了一种查询学习算法，用于\结构上明确的概率无上下文语法（SUPCFG）。我们表明，可以使用\ emph {Co-Linear多重树自动机}（CMTA）表示SUWCFG，并提供一种学习CMTA的多项式学习算法。我们表明，学到的CMTA可以转换为概率语法，从而提供了一种完整的算法，用于学习结构明确的概率上下文无语法（语法拓扑和概率权重），并使用结构化的成员资格查询和结构化的等价Queries。这项工作的摘要版本在AAAI 21上发布。

We first prove that Littlestone classes, those which model theorists call stable, characterize learnability in a new statistical model: a learner in this new setting outputs the same hypothesis, up to measure zero, with probability one, after a uniformly bounded number of revisions. This fills a certain gap in the literature, and sets the stage for an approximation theorem characterizing Littlestone classes in terms of a range of learning models, by analogy to definability of types in model theory. We then give a complete analogue of Shelah's celebrated (and perhaps a priori untranslatable) Unstable Formula Theorem in the learning setting, with algorithmic arguments taking the place of the infinite.

标签排名（LR）对应于学习一个假设的问题，以通过有限一组标签将功能映射到排名。我们采用了对LR的非参数回归方法，并获得了这一基本实际问题的理论绩效保障。我们在无噪声和嘈杂的非参数回归设置中介绍了一个用于标签排名的生成模型，并为两种情况下提供学习算法的示例复杂性界限。在无噪声环境中，我们研究了全排序的LR问题，并在高维制度中使用决策树和随机林提供计算有效的算法。在嘈杂的环境中，我们考虑使用统计观点的不完整和部分排名的LR更通用的情况，并使用多种多组分类的一种方法获得样本复杂性范围。最后，我们与实验补充了我们的理论贡献，旨在了解输入回归噪声如何影响观察到的输出。

Consider the following abstract coin tossing problem: Given a set of $n$ coins with unknown biases, find the most biased coin using a minimal number of coin tosses. This is a common abstraction of various exploration problems in theoretical computer science and machine learning and has been studied extensively over the years. In particular, algorithms with optimal sample complexity (number of coin tosses) have been known for this problem for quite some time. Motivated by applications to processing massive datasets, we study the space complexity of solving this problem with optimal number of coin tosses in the streaming model. In this model, the coins are arriving one by one and the algorithm is only allowed to store a limited number of coins at any point -- any coin not present in the memory is lost and can no longer be tossed or compared to arriving coins. Prior algorithms for the coin tossing problem with optimal sample complexity are based on iterative elimination of coins which inherently require storing all the coins, leading to memory-inefficient streaming algorithms. We remedy this state-of-affairs by presenting a series of improved streaming algorithms for this problem: we start with a simple algorithm which require storing only $O(\log{n})$ coins and then iteratively refine it further and further, leading to algorithms with $O(\log\log{(n)})$ memory, $O(\log^*{(n)})$ memory, and finally a one that only stores a single extra coin in memory -- the same exact space needed to just store the best coin throughout the stream. Furthermore, we extend our algorithms to the problem of finding the $k$ most biased coins as well as other exploration problems such as finding top-$k$ elements using noisy comparisons or finding an $\epsilon$-best arm in stochastic multi-armed bandits, and obtain efficient streaming algorithms for these problems.

个人概率是指仅实现一次的结果的概率：明天下雨的可能性，爱丽丝在未来12个月内死亡的可能性，鲍勃在未来18个月内因暴力犯罪而被捕的可能性等等。个人概率从根本上是不可知的。但是，我们表明，有两个在数据分发中的数据或如何从数据分发中进行采样的当事方不同意在如何建模个人概率上不同意。这是因为实质上不同意的任何两个模型的个人概率模型都可以用来凭经验伪造和改善两个模型之一。在“和解”过程中，这可以有效地迭代，该过程导致双方同意的模型优于他们开始的模型，并且（几乎）本身（几乎）都同意了各个概率（几乎）到处的预测。我们得出的结论是，尽管个人概率是不可知的，但它们是通过必须导致共识的计算和数据有效过程来竞争的。因此，我们无法发现自己​​有两个同样准确且不可解决的模型，这些模型在其预测中基本上不同意 - 为有时所谓的预测性或模型多样性问题提供答案。

我们回答以下问题，哪些结合性查询以多种方式上的许多正和负面示例以及如何有效地构建此类示例的特征。结果，我们为一类连接的查询获得了一种新的有效的精确学习算法。我们的贡献的核心是两种新的多项式时间算法，用于在有限结构的同态晶格中构建前沿。我们还讨论了模式映射和描述逻辑概念的独特特征性和可学习性的影响。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

当环境稀疏和非马克维亚奖励时，使用标量奖励信号的训练加强学习（RL）代理通常是不可行的。此外，在训练之前对这些奖励功能进行手工制作很容易指定，尤其是当环境的动态仅部分知道时。本文提出了一条新型的管道，用于学习非马克维亚任务规格，作为简洁的有限状态“任务自动机”，从未知环境中的代理体验情节中。我们利用两种关键算法的见解。首先，我们通过将其视为部分可观察到的MDP并为隐藏的Markov模型使用现成的算法，从而学习了由规范的自动机和环境MDP组成的产品MDP，该模型是由规范的自动机和环境MDP组成的。其次，我们提出了一种从学习的产品MDP中提取任务自动机（假定为确定性有限自动机）的新方法。我们学到的任务自动机可以使任务分解为其组成子任务，从而提高了RL代理以后可以合成最佳策略的速率。它还提供了高级环境和任务功能的可解释编码，因此人可以轻松地验证代理商是否在没有错误的情况下学习了连贯的任务。此外，我们采取步骤确保学识渊博的自动机是环境不可静止的，使其非常适合用于转移学习。最后，我们提供实验结果，以说明我们在不同环境和任务中的算法的性能及其合并先前的领域知识以促进更有效学习的能力。

在古典语境匪徒问题中，在每轮$ t $，学习者观察一些上下文$ c $，选择一些动作$ i $执行，并收到一些奖励$ r_ {i，t}（c）$。我们考虑此问题的变体除了接收奖励$ r_ {i，t}（c）$之外，学习者还要学习其他一些上下文$的$ r_ {i，t}（c'）$的值C'$ in设置$ \ mathcal {o} _i（c）$;即，通过在不同的上下文下执行该行动来实现的奖励\ mathcal {o} _i（c）$。这种变体出现在若干战略设置中，例如学习如何在非真实的重复拍卖中出价，最热衷于随着许多平台转换为运行的第一价格拍卖。我们将此问题称为交叉学习的上下文匪徒问题。古典上下围匪徒问题的最佳算法达到$ \ tilde {o}（\ sqrt {ckt}）$遗憾针对所有固定策略，其中$ c $是上下文的数量，$ k $的行动数量和$ $次数。我们设计并分析了交叉学习的上下文匪徒问题的新算法，并表明他们的遗憾更好地依赖上下文的数量。在选择动作时学习所有上下文的奖励的完整交叉学习下，即设置$ \ mathcal {o} _i（c）$包含所有上下文，我们显示我们的算法实现后悔$ \ tilde {o}（ \ sqrt {kt}）$，删除$ c $的依赖。对于任何其他情况，即在部分交叉学习下，$ | \ mathcal {o} _i（c）| <c $ for $（i，c）$，遗憾界限取决于如何设置$ \ mathcal o_i（c）$影响上下文之间的交叉学习的程度。我们从Ad Exchange运行一流拍卖的广告交换中模拟了我们的真实拍卖数据的算法，并表明了它们优于传统的上下文强盗算法。

A flexible method is developed to construct a confidence interval for the frequency of a queried object in a very large data set, based on a much smaller sketch of the data. The approach requires no knowledge of the data distribution or of the details of the sketching algorithm; instead, it constructs provably valid frequentist confidence intervals for random queries using a conformal inference approach. After achieving marginal coverage for random queries under the assumption of data exchangeability, the proposed method is extended to provide stronger inferences accounting for possibly heterogeneous frequencies of different random queries, redundant queries, and distribution shifts. While the presented methods are broadly applicable, this paper focuses on use cases involving the count-min sketch algorithm and a non-linear variation thereof, to facilitate comparison to prior work. In particular, the developed methods are compared empirically to frequentist and Bayesian alternatives, through simulations and experiments with data sets of SARS-CoV-2 DNA sequences and classic English literature.