Originally, tangles were invented as an abstract tool in mathematical graph theory to prove the famous graph minor theorem. In this paper, we showcase the practical potential of tangles in machine learning applications. Given a collection of cuts of any dataset, tangles aggregate these cuts to point in the direction of a dense structure. As a result, a cluster is softly characterized by a set of consistent pointers. This highly flexible approach can solve clustering problems in various setups, ranging from questionnaires over community detection in graphs to clustering points in metric spaces. The output of our proposed framework is hierarchical and induces the notion of a soft dendrogram, which can help explore the cluster structure of a dataset. The computational complexity of aggregating the cuts is linear in the number of data points. Thus the bottleneck of the tangle approach is to generate the cuts, for which simple and fast algorithms form a sufficient basis. In our paper we construct the algorithmic framework for clustering with tangles, prove theoretical guarantees in various settings, and provide extensive simulations and use cases. Python code is available on github.

We review clustering as an analysis tool and the underlying concepts from an introductory perspective. What is clustering and how can clusterings be realised programmatically? How can data be represented and prepared for a clustering task? And how can clustering results be validated? Connectivity-based versus prototype-based approaches are reflected in the context of several popular methods: single-linkage, spectral embedding, k-means, and Gaussian mixtures are discussed as well as the density-based protocols (H)DBSCAN, Jarvis-Patrick, CommonNN, and density-peaks.

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。

我们为保留部分顺序的部分有序数据的基于相似性的分层群集提供了一个目标函数。也就是说，如果$ x \ le y $，如果$ [x] $和$ [y] $是$ x $和$ y $的相应群集，那么有一个订单关系$ \ LE' $群集$ [x] \ Le'| Y] $。该理论将本身与现有的理论区分开了用于统称有序数据的理论，因为顺序关系和相似性被组合成双目标优化问题，以获得寻求满足两者的分层聚类。特别地，顺序关系在$ [0,1] $的范围内加权，如果相似性和顺序关系未对齐，则订单保存可能必须屈服于群集。找到最佳解决方案是NP-HARD，因此我们提供多项式时间近似算法，具有$ O \左的相对性能保证（\ log ^ {3/2} \！\！\，n \右）$ ，基于定向稀疏性切割的连续应用。我们在基准数据集中提供了演示，显示我们的方法优于具有重要边距的顺序保留分层聚类的现有方法。该理论是划分分层聚类的Dasgupta成本函数的扩展。

In recent years, spectral clustering has become one of the most popular modern clustering algorithms. It is simple to implement, can be solved efficiently by standard linear algebra software, and very often outperforms traditional clustering algorithms such as the k-means algorithm. On the first glance spectral clustering appears slightly mysterious, and it is not obvious to see why it works at all and what it really does. The goal of this tutorial is to give some intuition on those questions. We describe different graph Laplacians and their basic properties, present the most common spectral clustering algorithms, and derive those algorithms from scratch by several different approaches. Advantages and disadvantages of the different spectral clustering algorithms are discussed.

机器学习通常以经典的概率理论为前提，这意味着聚集是基于期望的。现在有多种原因可以激励人们将经典概率理论作为机器学习的数学基础。我们系统地检查了一系列强大而丰富的此类替代品，即各种称为光谱风险度量，Choquet积分或Lorentz规范。我们提出了一系列的表征结果，并演示了使这个光谱家族如此特别的原因。在此过程中，我们证明了所有连贯的风险度量的自然分层，从它们通过利用重新安排不变性Banach空间理论的结果来诱导的上层概率。我们凭经验证明了这种新的不确定性方法如何有助于解决实用的机器学习问题。

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。

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.

Graph clustering is a fundamental problem in unsupervised learning, with numerous applications in computer science and in analysing real-world data. In many real-world applications, we find that the clusters have a significant high-level structure. This is often overlooked in the design and analysis of graph clustering algorithms which make strong simplifying assumptions about the structure of the graph. This thesis addresses the natural question of whether the structure of clusters can be learned efficiently and describes four new algorithmic results for learning such structure in graphs and hypergraphs. All of the presented theoretical results are extensively evaluated on both synthetic and real-word datasets of different domains, including image classification and segmentation, migration networks, co-authorship networks, and natural language processing. These experimental results demonstrate that the newly developed algorithms are practical, effective, and immediately applicable for learning the structure of clusters in real-world data.

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.

社区检测是网络科学中最重要的方法领域之一，在过去的几十年里引起了大量关注的方法之一。该区域处理网络的自动部门到基础构建块中，目的是提供其大规模结构的概要。尽管它的重要性和广泛的采用普及，所谓的最先进和实际在各种领域实际使用的方法之间存在明显的差距。在这里，我们试图通过根据是否具有“描述性”或“推论”目标来划分现有方法来解决这种差异。虽然描述性方法在基于社区结构的直观概念的网络中找到模式的模式，但是推理方法阐述了精确的生成模型，并尝试将其符合数据。通过这种方式，他们能够为网络形成机制提供见解，并以统计证据支持的方式与随机性的单独结构。我们审查如何使用推论目标采用描述性方法被陷入困境和误导性答案，因此应该一般而言。我们认为推理方法更通常与更清晰的科学问题一致，产生更强大的结果，并且应该是一般的首选。我们试图消除一些神话和半真半假在实践中使用社区检测时，努力改善这些方法的使用以及对结果的解释。

在本文中，我们提出了一个自然的单个偏好（IP）稳定性的概念，该概念要求每个数据点平均更接近其自身集群中的点，而不是其他群集中的点。我们的概念可以从几个角度的动机，包括游戏理论和算法公平。我们研究了与我们提出的概念有关的几个问题。我们首先表明，确定给定数据集通常允许进行IP稳定的聚类通常是NP-HARD。结果，我们探索了在某些受限度量空间中查找IP稳定聚类的有效算法的设计。我们提出了一种poly Time算法，以在实际线路上找到满足精确IP稳定性的聚类，并有效地算法来找到针对树度量的IP稳定2聚类。我们还考虑放松稳定性约束，即，与其他任何集群相比，每个数据点都不应太远。在这种情况下，我们提供具有不同保证的多时间算法。我们在实际数据集上评估了一些算法和几种标准聚类方法。

即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。

分层聚类研究将数据集的递归分区设置为连续较小尺寸的簇，并且是数据分析中的基本问题。在这项工作中，我们研究了Dasgupta引入的分层聚类的成本函数，并呈现了两个多项式时间近似算法：我们的第一个结果是高度电导率图的$ O（1）$ - 近似算法。我们简单的建筑绕过了在文献中已知的稀疏切割的复杂递归常规。我们的第二个和主要结果是一个US（1）$ - 用于展示群集明确结构的宽族图形的近似算法。该结果推出了以前的最先进的，该现有技术仅适用于从随机模型产生的图表。通过对合成和现实世界数据集的实证分析，我们所呈现的算法的实证分析表明了我们的工作的重要性，以其具有明确定义的集群结构的先前所提出的图表算法。

Alphazero，Leela Chess Zero和Stockfish Nnue革新了计算机国际象棋。本书对此类引擎的技术内部工作进行了完整的介绍。该书分为四个主要章节 - 不包括第1章（简介）和第6章（结论）：第2章引入神经网络，涵盖了所有用于构建深层网络的基本构建块，例如Alphazero使用的网络。内容包括感知器，后传播和梯度下降，分类，回归，多层感知器，矢量化技术，卷积网络，挤压网络，挤压和激发网络，完全连接的网络，批处理归一化和横向归一化和跨性线性单位，残留层，剩余层，过度效果和底漆。第3章介绍了用于国际象棋发动机以及Alphazero使用的经典搜索技术。内容包括minimax，alpha-beta搜索和蒙特卡洛树搜索。第4章展示了现代国际象棋发动机的设计。除了开创性的Alphago，Alphago Zero和Alphazero我们涵盖Leela Chess Zero，Fat Fritz，Fat Fritz 2以及有效更新的神经网络（NNUE）以及MAIA。第5章是关于实施微型α。 Shexapawn是国际象棋的简约版本，被用作为此的示例。 Minimax搜索可以解决六ap峰，并产生了监督学习的培训位置。然后，作为比较，实施了类似Alphazero的训练回路，其中通过自我游戏进行训练与强化学习结合在一起。最后，比较了类似α的培训和监督培训。

图形上的分层聚类是数据挖掘和机器学习中的一项基本任务，并在系统发育学，社交网络分析和信息检索等领域中进行了应用。具体而言，我们考虑了由于Dasgupta引起的层次聚类的最近普及的目标函数。以前（大约）最小化此目标函数的算法需要线性时间/空间复杂性。在许多应用程序中，底层图的大小可能很大，即使使用线性时间/空间算法，也可以在计算上具有挑战性。结果，人们对设计只能使用sublinear资源执行全局计算的算法有浓厚的兴趣。这项工作的重点是在三个经过良好的sublinear计算模型下研究大量图的层次聚类，分别侧重于时空，时间和通信，作为要优化的主要资源：（1）（动态）流模型。边缘作为流，（2）查询模型表示，其中使用邻居和度查询查询图形，（3）MPC模型，其中图边缘通过通信通道连接的几台机器进行了分区。我们在上面的所有三个模型中设计用于层次聚类的sublinear算法。我们算法结果的核心是图表中的剪切方面的视图，这使我们能够使用宽松的剪刀示意图进行分层聚类，同时仅引入目标函数中的较小失真。然后，我们的主要算法贡献是如何在查询模型和MPC模型中有效地构建所需形式的切割稀疏器。我们通过建立几乎匹配的下限来补充我们的算法结果，该界限排除了在每个模型中设计更好的算法的可能性。

我们派生并分析了一种用于估计有限簇树中的所有分裂的通用，递归算法以及相应的群集。我们进一步研究了从内核密度估计器接收级别设置估计时该通用聚类算法的统计特性。特别是，我们推出了有限的样本保证，一致性，收敛率以及用于选择内核带宽的自适应数据驱动策略。对于这些结果，我们不需要与H \“{o}连续性等密度的连续性假设，而是仅需要非参数性质的直观几何假设。

In this work we study statistical properties of graph-based algorithms for multi-manifold clustering (MMC). In MMC the goal is to retrieve the multi-manifold structure underlying a given Euclidean data set when this one is assumed to be obtained by sampling a distribution on a union of manifolds $\mathcal{M} = \mathcal{M}_1 \cup\dots \cup \mathcal{M}_N$ that may intersect with each other and that may have different dimensions. We investigate sufficient conditions that similarity graphs on data sets must satisfy in order for their corresponding graph Laplacians to capture the right geometric information to solve the MMC problem. Precisely, we provide high probability error bounds for the spectral approximation of a tensorized Laplacian on $\mathcal{M}$ with a suitable graph Laplacian built from the observations; the recovered tensorized Laplacian contains all geometric information of all the individual underlying manifolds. We provide an example of a family of similarity graphs, which we call annular proximity graphs with angle constraints, satisfying these sufficient conditions. We contrast our family of graphs with other constructions in the literature based on the alignment of tangent planes. Extensive numerical experiments expand the insights that our theory provides on the MMC problem.

最近的一些作品已经采用了决策树，以建造可解释的分区，旨在最大限度地减少$ k $ -means成本函数。然而，这些作品在很大程度上忽略了与所得到的树中叶子的深度相关的度量，这考虑到决策树的解释性如何取决于这些深度，这可能令人惊讶。为了填补文献中的这种差距，我们提出了一种有效的算法，它考虑了这些指标。在7个数据集上的实验中，我们的算法产生的结果比决策树聚类算法，例如\ Cite {dasgupta2020explainplainable}，\ cite {frost2020exkmc}，\ cite {laber2021price}和\ cite {dblp：conf / icml / Makarychevs21}通常以相当浅的树木实现较低或等同的成本。我们还通过简单适应现有技术来表明，用k $ -means成本函数的二叉树引起的可解释的分区的问题不承认多项式时间中的$（1+ \ epsilon）$ - 近似$ p = np $，证明Questies Quest attmation算法和/或启发式。

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。