Suppose we are given an $n$-dimensional order-3 symmetric tensor $T \in (\mathbb{R}^n)^{\otimes 3}$ that is the sum of $r$ random rank-1 terms. The problem of recovering the rank-1 components is possible in principle when $r \lesssim n^2$ but polynomial-time algorithms are only known in the regime $r \ll n^{3/2}$. Similar "statistical-computational gaps" occur in many high-dimensional inference tasks, and in recent years there has been a flurry of work on explaining the apparent computational hardness in these problems by proving lower bounds against restricted (yet powerful) models of computation such as statistical queries (SQ), sum-of-squares (SoS), and low-degree polynomials (LDP). However, no such prior work exists for tensor decomposition, largely because its hardness does not appear to be explained by a "planted versus null" testing problem. We consider a model for random order-3 tensor decomposition where one component is slightly larger in norm than the rest (to break symmetry), and the components are drawn uniformly from the hypercube. We resolve the computational complexity in the LDP model: $O(\log n)$-degree polynomial functions of the tensor entries can accurately estimate the largest component when $r \ll n^{3/2}$ but fail to do so when $r \gg n^{3/2}$. This provides rigorous evidence suggesting that the best known algorithms for tensor decomposition cannot be improved, at least by known approaches. A natural extension of the result holds for tensors of any fixed order $k \ge 3$, in which case the LDP threshold is $r \sim n^{k/2}$.

高维统计数据的一个基本目标是检测或恢复嘈杂数据中隐藏的种植结构（例如低级别矩阵）。越来越多的工作研究低级多项式作为此类问题的计算模型的限制模型：在各种情况下，数据的低级多项式可以与最知名的多项式时间算法的统计性能相匹配。先前的工作已经研究了低度多项式的力量，以检测隐藏结构的存在。在这项工作中，我们将这些方法扩展到解决估计和恢复问题（而不是检测）。对于大量的“信号加噪声”问题，我们给出了一个用户友好的下限，以获得最佳的均衡误差。据我们所知，这些是建立相关检测问题的恢复问题低度硬度的第一个结果。作为应用，我们对种植的子静脉和种植的密集子图问题的低度最小平方误差进行了严格的特征，在两种情况下都解决了有关恢复的计算复杂性的开放问题（在低度框架中）。

我们研究了小组测试问题，其目标是根据合并测试的结果，确定一组k感染的人，这些k含有稀有疾病，这些人在经过测试中至少有一个受感染的个体时返回阳性的结果。团体。我们考虑将个人分配给测试的两个不同的简单随机过程：恒定柱设计和伯努利设计。我们的第一组结果涉及基本统计限制。对于恒定柱设计，我们给出了一个新的信息理论下限，这意味着正确识别的感染者的比例在测试数量越过特定阈值时会经历急剧的“全或全或无所不包”的相变。对于Bernoulli设计，我们确定解决相关检测问题所需的确切测试数量（目的是区分小组测试实例和纯噪声），改善Truong，Aldridge和Scarlett的上限和下限（2020）。对于两个小组测试模型，我们还研究了计算有效（多项式时间）推理程序的能力。我们确定了解决检测问题的低度多项式算法所需的精确测试数量。这为在少量稀疏度的检测和恢复问题中都存在固有的计算统计差距提供了证据。值得注意的是，我们的证据与Iliopoulos和Zadik（2021）相反，后者预测了Bernoulli设计中没有计算统计差距。

聚类是无监督学习中的基本原始，它引发了丰富的计算挑战性推理任务。在这项工作中，我们专注于将$ D $ -dimential高斯混合的规范任务与未知（和可能的退化）协方差集成。最近的作品（Ghosh等人。恢复在高斯聚类实例中种植的某些隐藏结构。在许多类似的推理任务上的工作开始，这些较低界限强烈建议存在群集的固有统计到计算间隙，即群集任务是\ yringit {statistically}可能但没有\ texit {多项式 - 时间}算法成功。我们考虑的聚类任务的一个特殊情况相当于在否则随机子空间中找到种植的超立体载体的问题。我们表明，也许令人惊讶的是，这种特定的聚类模型\ extent {没有展示}统计到计算间隙，即使在这种情况下继续应用上述的低度和SOS下限。为此，我们提供了一种基于Lenstra - Lenstra - Lovasz晶格基础减少方法的多项式算法，该方法实现了$ D + 1 $样本的统计上最佳的样本复杂性。该结果扩展了猜想统计到计算间隙的问题的类问题可以通过“脆弱”多项式算法“关闭”，突出显示噪声在统计到计算间隙的发作中的关键而微妙作用。

我们开发了一种高效的随机块模型中的弱恢复算法。该算法与随机块模型的Vanilla版本的最佳已知算法的统计保证匹配。从这个意义上讲，我们的结果表明，随机块模型没有稳健性。我们的工作受到最近的银行，Mohanty和Raghavendra（SODA 2021）的工作，为相应的区别问题提供了高效的算法。我们的算法及其分析显着脱离了以前的恢复。关键挑战是我们算法的特殊优化景观：种植的分区可能远非最佳意义，即完全不相关的解决方案可以实现相同的客观值。这种现象与PCA的BBP相转变的推出效应有关。据我们所知，我们的算法是第一个在非渐近设置中存在这种推出效果的鲁棒恢复。我们的算法是基于凸优化的框架的实例化（与平方和不同的不同），这对于其他鲁棒矩阵估计问题可能是有用的。我们的分析的副产物是一种通用技术，其提高了任意强大的弱恢复算法的成功（输入的随机性）从恒定（或缓慢消失）概率以指数高概率。

我们研究了恢复单位 - 总稀疏主组件$ x \ in \ mathbb {r}^n $在随机矩阵中种植的计算成本，以wigner或wishart尖峰模型（观察$ w + \ lambda xx xx^xx^ \ top $带有从高斯正交集合中绘制的$ w $，或分别来自$ \ Mathcal {n}（0，i_n + \ beta xx^\ top）$的$ n $独立样本，分别为$）。先前的工作表明，当信噪比（分别$ \ lambda $或$ \ beta \ sqrt {n/n} $）是一个小常数，而种植向量中的非零入口的分数为$ \ \ \ | x \ | _0 / n = \ rho $，如果$ \ rho \ sillsim 1 / \ sqrt {n} $，可以在多项式时间内恢复$ x $。虽然可以在较弱的条件下以$ \ rho \ ll 1 $恢复指数时间的$ x $，但据信，除非$ \ rho \ rho \ simsim 1/\ sqrt {n} $，否则不可能多项式时间恢复。我们研究了“可能但难”制度中恢复所需的精确时间，$ 1/\ sqrt {n} \ ll \ ll \ rho \ ll 1 $通过探索次指定时间算法的功能，即，在时间$中运行的算法$ \ exp（n^\ delta）$对于某些常数$ \ delta \ in（0,1）$。对于任何$ 1/\ sqrt {n} \ ll \ rho \ ll 1 $，我们给出了一个恢复算法的运行时大约$ \ exp（\ rho^2 n）$，表明了稀疏和runtime之间的平稳折衷。我们的算法家族在两种现有算法之间平稳地插入：多项式时间对角线阈值算法和$ \ exp（\ rho n）$ - 时间详尽的搜索算法。此外，通过分析低度的似然比，我们提供了严格的证据，表明我们算法实现的权衡是最佳的。

我们考虑了在高维度中平均分离的高斯聚类混合物的问题。我们是从$ k $身份协方差高斯的混合物提供的样本，使任何两对手段之间的最小成对距离至少为$ \ delta $，对于某些参数$ \ delta> 0 $，目标是恢复这些样本的地面真相聚类。它是分离$ \ delta = \ theta（\ sqrt {\ log k}）$既有必要且足以理解恢复良好的聚类。但是，实现这种担保的估计值效率低下。我们提供了在多项式时间内运行的第一算法，几乎符合此保证。更确切地说，我们给出了一种算法，它需要多项式许多样本和时间，并且可以成功恢复良好的聚类，只要分离为$ \ delta = \ oomega（\ log ^ {1/2 + c} k）$ ，任何$ c> 0 $。以前，当分离以k $的分离和可以容忍$ \ textsf {poly}（\ log k）$分离所需的quasi arynomial时间时，才知道该问题的多项式时间算法。我们还将我们的结果扩展到分布的分布式的混合物，该分布在额外的温和假设下满足Poincar \ {e}不等式的分布。我们认为我们相信的主要技术工具是一种新颖的方式，可以隐含地代表和估计分配的​​高度时刻，这使我们能够明确地提取关于高度时刻的重要信息而没有明确地缩小全瞬间张量。

分析大型随机矩阵的浓度是多种领域的常见任务。给定独立的随机变量，许多工具可用于分析随机矩阵，其条目在变量中是线性的，例如基质 - 伯恩斯坦不平等。但是，在许多应用中，我们需要分析其条目是变量中多项式的随机矩阵。这些自然出现在光谱算法的分析中，例如霍普金斯等人。 [Stoc 2016]，Moitra-Wein [Stoc 2019]；并根据正方形层次结构的总和（例如Barak等。 [FOCS 2016]，Jones等。 [焦点2021]。在这项工作中，我们基于Paulin-Mackey-Tropp（概率Annals of Poylibity of Poyliby of 2016]，我们提出了一个通用框架来获得此类界限。 Efron-Stein不等式通过另一个简单（但仍然是随机）矩阵的范围来界定随机矩阵的规范，我们将其视为通过“区分”起始矩阵而引起的。通过递归区分，我们的框架减少了分析更简单的矩阵的主要任务。对于Rademacher变量，这些简单的矩阵实际上是确定性的，因此，分析它们要容易得多。对于一般的非拉多巴纳变量，任务减少到标量浓度，这要容易得多。此外，在多项式矩阵的设置中，我们的结果推广了Paulin-Mackey-Tropp的工作。使用我们的基本框架，我们在文献中恢复了简单的“张量网络”和“密集图矩阵”的已知界限。使用我们的一般框架，我们得出了“稀疏图矩阵”的边界，琼斯等人最近才获得。 [焦点2021]使用痕量功率方法的非平地应用，并且是其工作中的核心组成部分。我们希望我们的框架对涉及非线性随机矩阵浓度现象的其他应用有帮助。

给定尺寸$ d $中的独立标准高斯点$ v_1，\ ldots，v_n $，对于$（n，d）$的值（n，d）$的值很高，概率很高，同时通过所有要点？将椭圆形拟合到随机点的基本问题与低级别矩阵分解，独立的组件分析和主成分分析有连接。基于有力的数值证据，桑德森，帕里洛和威尔斯基[Proc。关于决策和控制会议，第6031-6036页，2013年]猜想，椭圆形拟合问题的问题从可行的到不可行的$ n $增加，并在$ n \ sim d^2/4处急剧阈值$。我们通过为某些$ n = \ omega（\，d^2/\ log^5（d）\，）$构建合适的椭圆形来解决这个猜想，从而改善了Ghosh等人的先前工作。 [Proc。关于计算机科学基础的研讨会，第954-965、2020页]，需要$ n = o（d^{3/2}）$。我们的证明证明了Saunderson等人的最小二乘结构的可行性。使用对特定非标准随机矩阵的特征向量和特征值进行仔细的分析。

我们研究了稀疏张量主成分分析的问题：给定张量$ \ pmb y = \ pmb w + \ lambda x ^ {\ otimes p} $ with $ \ pmb w \ in \ otimes ^ p \ mathbb {r} ^ n $拥有iid高斯条目，目标是恢复$ k $ -parse单位矢量$ x \ in \ mathbb {r} ^ n $。该模型捕获稀疏PCA（其Wigner形式）和张量PCA。对于$ k \ leq \ sqrt {n} $的高稀疏制度，我们介绍了一系列平滑地插值在简单的多项式算法和指数时穷举搜索算法之间的算法。对于任何$ 1 \ leq t \ leq k $，我们的算法恢复了信噪比$ \ lambda \ geq \ tilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {t} \ cdot（k / t ）^ {p / 2}）$时间$ \ tilde {\ mathcal {o}}（n ^ {p + t}）$，捕获矩阵设置的最先进的保证（在两者中多项式时间和子指数时间制度）。我们的结果自然地延伸到$ r $ distinct $ k $ -parse信号的案例与不相交的支持，保证与尖峰的数量无关。即使在稀疏PCA的局限性情况下，已知的算法也仅恢复$ \ lambda \ geq \ tilde {\ mathcal {o}}（k \ cdot r）$的稀疏向量，而我们的算法需要$ \ lambda \ geq \ tilde { \ mathcal {o}}（k）$。最后，通过分析低度似然比，我们将这些算法结果补充，具体证据说明信噪比和运行时间之间的权衡。该下限捕获稀疏PCA和张量PCA的已知下限。在这一普通模型中，我们在标准数量$ N $，稀疏$ k $的样本数量之间观察更复杂的三方权衡，以及张力电源$ p $。

随机块模型（SBM）是一个随机图模型，其连接不同的顶点组不同。它被广泛用作研究聚类和社区检测的规范模型，并提供了肥沃的基础来研究组合统计和更普遍的数据科学中出现的信息理论和计算权衡。该专着调查了最近在SBM中建立社区检测的基本限制的最新发展，无论是在信息理论和计算方案方面，以及各种恢复要求，例如精确，部分和弱恢复。讨论的主要结果是在Chernoff-Hellinger阈值中进行精确恢复的相转换，Kesten-Stigum阈值弱恢复的相变，最佳的SNR - 单位信息折衷的部分恢复以及信息理论和信息理论之间的差距计算阈值。该专着给出了在寻求限制时开发的主要算法的原则推导，特别是通过绘制绘制，半定义编程，（线性化）信念传播，经典/非背带频谱和图形供电。还讨论了其他块模型的扩展，例如几何模型和一些开放问题。

在这项工作中，我们将轨道恢复问题超过$ SO（3）$，其中目标是从嘈杂的测量到它的随机旋转副本中的球体上恢复带有限制功能。这是通过冷冻电子断层扫描恢复分子的三维结构的问题的自然抽象。对称发挥重要作用：恢复旋转函数相当于求解来自与组动作相关的不变环的多项式方程系统。先前的工作通过计算代数工具调查了该系统，该工具高达一定尺寸。然而，许多统计和算法问题仍然存在：恢复有多少次，或者等效在何种程度下，不变多项式会产生全不变环？是否有可能算法解决该多项式方程系统？从平滑分析的角度来看，我们重新审视这些问题，从而基于球面谐波扰乱了该功能的系数。我们的主要结果是轨道恢复的准多项式时间算法超过$ SO（3）$在此模型中。我们通过建立一个{\ EM线性}方程来利用多项式方程系统的分层结构来分析一个被称为频率行进的频率谱系，以便为已经找到了较低阶频率来解决高阶频率的{\ EM线性}方程的系统。主要问题是：这些系统有一个独特的解决方案吗？错误的错误有多快？我们的主要技术贡献是在限制这些代数结构线性系统的条件数。因此，平滑分析提供了一个引人注目的模型，我们可以扩展我们可以在轨道恢复中处理的组动作类型，超出有限和/或雅典的情况。

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。

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。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

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。

The stochastic block model (SBM) is a random graph model with planted clusters. It is widely employed as a canonical model to study clustering and community detection, and provides generally a fertile ground to study the statistical and computational tradeoffs that arise in network and data sciences.This note surveys the recent developments that establish the fundamental limits for community detection in the SBM, both with respect to information-theoretic and computational thresholds, and for various recovery requirements such as exact, partial and weak recovery (a.k.a., detection). The main results discussed are the phase transitions for exact recovery at the Chernoff-Hellinger threshold, the phase transition for weak recovery at the Kesten-Stigum threshold, the optimal distortion-SNR tradeoff for partial recovery, the learning of the SBM parameters and the gap between information-theoretic and computational thresholds.The note also covers some of the algorithms developed in the quest of achieving the limits, in particular two-round algorithms via graph-splitting, semi-definite programming, linearized belief propagation, classical and nonbacktracking spectral methods. A few open problems are also discussed.

我们调查与高斯的混合的数据分享共同但未知，潜在虐待协方差矩阵的数据。我们首先考虑具有两个等级大小的组件的高斯混合，并根据最大似然估计导出最大切割整数程序。当样品的数量在维度下线性增长时，我们证明其解决方案实现了最佳的错误分类率，直到对数因子。但是，解决最大切割问题似乎是在计算上棘手的。为了克服这一点，我们开发了一种高效的频谱算法，该算法达到最佳速率，但需要一种二次样本量。虽然这种样本复杂性比最大切割问题更差，但我们猜测没有多项式方法可以更好地执行。此外，我们收集了支持统计计算差距存在的数值和理论证据。最后，我们将MAX-CUT程序概括为$ k $ -means程序，该程序处理多组分混合物的可能性不平等。它享有相似的最优性保证，用于满足运输成本不平等的分布式的混合物，包括高斯和强烈的对数的分布。

Tensor decomposition serves as a powerful primitive in statistics and machine learning. In this paper, we focus on using power iteration to decompose an overcomplete random tensor. Past work studying the properties of tensor power iteration either requires a non-trivial data-independent initialization, or is restricted to the undercomplete regime. Moreover, several papers implicitly suggest that logarithmically many iterations (in terms of the input dimension) are sufficient for the power method to recover one of the tensor components. In this paper, we analyze the dynamics of tensor power iteration from random initialization in the overcomplete regime. Surprisingly, we show that polynomially many steps are necessary for convergence of tensor power iteration to any of the true component, which refutes the previous conjecture. On the other hand, our numerical experiments suggest that tensor power iteration successfully recovers tensor components for a broad range of parameters, despite that it takes at least polynomially many steps to converge. To further complement our empirical evidence, we prove that a popular objective function for tensor decomposition is strictly increasing along the power iteration path. Our proof is based on the Gaussian conditioning technique, which has been applied to analyze the approximate message passing (AMP) algorithm. The major ingredient of our argument is a conditioning lemma that allows us to generalize AMP-type analysis to non-proportional limit and polynomially many iterations of the power method.

我们研究了学习哈密顿$ h $ to precision $ \ varepsilon $的问题，假设我们将获得其gibbs state $ \ rho = \ exp（ - \ beta h）/\ operatoratorname {tr}（\ exp（\ exp）（ - \ beta h））$在已知的反温度$ \ beta $处。 Anshu，Arunachalam，Kuwahara和Soleimanifar（Nature Physics，2021，Arxiv：2004.07266）最近研究了此问题的样品复杂性（需要$ \ rho $的副本数量）。在高温（低$ \ beta $）制度中，他们的算法具有样品复杂性poly poly $（n，1/\ beta，1/\ varepsilon）$，并且可以用多项式但次优的时间复杂性实现。在本文中，我们研究了更一般的哈密顿人的同样问题。我们展示了如何学习哈密顿量的系数到错误$ \ varepsilon $带有样本复杂性$ s = o（\ log n/（\ beta \ varepsilon）^{2}）$和样本大小的时间复杂性，$ o（s n）$。此外，我们证明了匹配的下限，表明我们算法的样品复杂性是最佳的，因此我们的时间复杂性也是最佳的。在附录中，我们证明，几乎可以使用相同的算法来从实时进化的统一$ e^{ - it H} $中学习$ h $，其中具有相似的示例和时间复杂性的小$ t $制度。