我们考虑测定点过程（DPP）的产物，该点过程，其概率质量与多矩阵的主要成本的产物成比例，作为DPP的天然有希望的推广。我们研究计算其归一化常量的计算复杂性，这是最重要的概率推理任务。我们的复杂性 - 理论结果（差不多）排除了该任务的有效算法的存在，除非输入矩阵被迫具有有利的结构。特别是，我们证明了以下内容：（1）计算$ \ sum_s \ det（{\ bf a} _ {s，s，s}）^ p $完全针对每个（固定）阳性甚至整数$ p $ up-hard和Mod $ _3 $ p-hard，它给Kulesza和Taskar提出的打开问题给出了否定答案。 （2）$ \ sum_s \ det（{\ bf a} _ {s，s}）\ det（{\ bf b} _ {s，s}）\ det（{\ bf c} _ {s，s} ）$ IS难以在2 ^ {o（| i | i | ^ {1- \ epsilon}）} $或$ 2 ^ {o（n ^ {1 / epsilon}）} $的任何一个$ \ epsilon> 0 $，其中$ | i | $是输入大小，$ n $是输入矩阵的顺序。这种结果比Gillenwater导出的两个矩阵的#P硬度强。 （3）有$ k ^ {o（k）} n ^ {o（1）} $ - 计算$ \ sum_s \ det的时间算法（{\ bf a} _ {s，s}）\ det（ {\ bf b} _ {s，s}）$，其中$ k $是$ \ bf a $和$ \ bf b $的最大等级，或者由$ \ bf a $的非零表项形成的图表的树宽和$ \ bf b $。据说这种参数化算法是固定参数的易解。这些结果可以扩展到固定尺寸的情况。此外，我们介绍了两个固定参数批量算法的应用程序给定矩阵$ \ bf a $ treewidth $ w $：（4）我们可以计算$ 2 ^ {\ frac {n} {2p-1} $ - 近似值到$ \ sum_s \ det（{\ bf a} _ {s，s}）^ p $ for任何分数$ p> 1 $以$ w ^ {o（wp）} n ^ {o（1）} $时间。 （5）我们可以在$ w ^ {o（w \ sqrt n）} n ^ {

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。

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。

由于机器学习，统计和科学的应用，多边缘最佳运输（MOT）引起了极大的兴趣。但是，在大多数应用中，MOT的成功受到缺乏有效算法的严重限制。实际上，MOT一般需要在边际K及其支撑大小n的数量中指数时间n。本文开发了一个关于“结构”在poly（n，k）时间中可溶解的一般理论。我们开发了一个统一的算法框架，用于通过表征不同算法所需的“结构”来解决poly（n，k）时间中的MOT，这是根据双重可行性甲骨文的简单变体所需的。该框架有几个好处。首先，它使我们能够证明当前是最流行的MOT算法的Sinkhorn算法比其他算法要在poly（n，k）时间中求解MOT所需的结构更严格。其次，我们的框架使得为给定的MOT问题开发poly（n，k）时间算法变得更加简单。特别是（大约）解决双重可行性Oracle是必要和足够的 - 这更适合标准算法技术。我们通过为三个通用类成本结构类别的poly（n，k）时间算法开发poly（n，k）时间算法来说明这种易用性：（1）图形结构； （2）设定优化结构； （3）低阶和稀疏结构。对于结构（1），我们恢复了Sindhorn具有poly（n，k）运行时的已知结果；此外，我们为计算精确且稀疏的解决方案提供了第一个poly（n，k）时间算法。对于结构（2） - （3），我们给出了第一个poly（n，k）时间算法，甚至用于近似计算。这三个结构一起涵盖了许多MOT的当前应用。

计算Wassersein BaryCenters（A.K.A.最佳运输重构）是由于数据科学的许多应用，最近引起了相当大的关注的几何问题。虽然存在任何固定维度的多项式时间算法，但所有已知的运行时间都在维度中呈指数级。这是一个开放的问题，无论是这种指数依赖性是否可改进到多项式依赖性。本文证明，除非P = NP，答案是否定的。这揭示了Wassersein的BaryCenter计算的“维度诅咒”，其不会发生最佳运输计算。此外，我们对计算Wassersein的硬度结果延伸到近似计算，看似简单的问题案例，以及在其他最佳运输指标中平均概率分布。

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。

我们研究了用$ q $ modes $ a \ in \ mathbb {r}^{n \ times \ ldots \ times n} $的近似给定张量的问题。图$ g =（v，e）$，其中$ | v | = q $，以及张张量的集合$ \ {u_v \ mid v \ in v \} $，以$ g $指定的方式收缩以获取张量$ t $。对于$ u_v $的每种模式，对应于$ v $的边缘事件，尺寸为$ k $，我们希望找到$ u_v $，以便最小化$ t $和$ a $之间的frobenius norm距离。这概括了许多众所周知的张量网络分解，例如张量列，张量环，塔克和PEPS分解。我们大约是二进制树网络$ t'$带有$ o（q）$核的大约$ a $，因此该网络的每个边缘上的尺寸最多是$ \ widetilde {o}（k^{o（dt） } \ cdot q/\ varepsilon）$，其中$ d $是$ g $的最大度，$ t $是其树宽，因此$ \ | a -t'-t'\ | _f^2 \ leq（1 + \ Varepsilon）\ | a -t \ | _f^2 $。我们算法的运行时间为$ o（q \ cdot \ text {nnz}（a）） + n \ cdot \ text {poly}（k^{dt} q/\ varepsilon）$，其中$ \ text {nnz }（a）$是$ a $的非零条目的数量。我们的算法基于一种可能具有独立感兴趣的张量分解的新维度降低技术。我们还开发了固定参数可处理的$（1 + \ varepsilon）$ - 用于张量火车和塔克分解的近似算法，改善了歌曲的运行时间，Woodruff和Zhong（Soda，2019），并避免使用通用多项式系统求解器。我们表明，我们的算法对$ 1/\ varepsilon $具有几乎最佳的依赖性，假设没有$ O（1）$ - 近似算法的$ 2 \至4 $ norm，并且运行时间比蛮力更好。最后，我们通过可靠的损失函数和固定参数可拖动CP分解给出了塔克分解的其他结果。

The Forster transform is a method of regularizing a dataset by placing it in {\em radial isotropic position} while maintaining some of its essential properties. Forster transforms have played a key role in a diverse range of settings spanning computer science and functional analysis. Prior work had given {\em weakly} polynomial time algorithms for computing Forster transforms, when they exist. Our main result is the first {\em strongly polynomial time} algorithm to compute an approximate Forster transform of a given dataset or certify that no such transformation exists. By leveraging our strongly polynomial Forster algorithm, we obtain the first strongly polynomial time algorithm for {\em distribution-free} PAC learning of halfspaces. This learning result is surprising because {\em proper} PAC learning of halfspaces is {\em equivalent} to linear programming. Our learning approach extends to give a strongly polynomial halfspace learner in the presence of random classification noise and, more generally, Massart noise.

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。

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。

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。

本文讨论了ERD \ H {O} S-R \'enyi图的图形匹配或网络对齐问题，可以将其视为图同构问题的嘈杂平均案例版本。令$ g $和$ g'$ be $ g（n，p）$ erd \ h {o} s--r \'enyi略微图形，并用其邻接矩阵识别。假设$ g $和$ g'$是相关的，因此$ \ mathbb {e} [g_ {ij} g'_ {ij}] = p（1- \ alpha）$。对于置换$ \ pi $，代表$ g $和$ g'$之间的潜在匹配，用$ g^\ pi $表示从$ \ pi $的$ g $的顶点获得的图表。观察$ g^\ pi $和$ g'$，我们的目标是恢复匹配的$ \ pi $。在这项工作中，我们证明，在（0,1] $中，每$ \ varepsilon \ in（0,1] $，都有$ n_0> 0 $，具体取决于$ \ varepsilon $和绝对常数$ \ alpha_0，r> 0 $，带有以下属性。令$ n \ ge n_0 $，$（1+ \ varepsilon）\ log n \ le np \ le n^{\ frac {1} {r \ log \ log \ log n}} $ （\ alpha_0，\ varepsilon/4）$。有一个多项式时算法$ f $，因此$ \ m athbb {p} \ {f（g^\ pi，g'）= \ pi \} = 1-o （1）$。这是第一种多项式时算法，它恢复了相关的ERD \ H {O} S-r \'enyi图与具有恒定相关性的相关性图与高概率相关性的确切匹配。该算法是基于比较的比较与图形顶点关联的分区树。

我们根据计算一个扎根于每个顶点的某个加权树的家族而构成的相似性得分提出了一种有效的图形匹配算法。对于两个erd \ h {o} s-r \'enyi图$ \ mathcal {g}（n，q）$，其边缘通过潜在顶点通信相关联，我们表明该算法正确地匹配了所有范围的范围，除了所有的vertices分数外，有了很高的概率，前提是$ nq \ to \ infty $，而边缘相关系数$ \ rho $满足$ \ rho^2> \ alpha \ ailpha \大约0.338 $，其中$ \ alpha $是Otter的树木计数常数。此外，在理论上是必需的额外条件下，可以精确地匹配。这是第一个以显式常数相关性成功的多项式图匹配算法，并适用于稀疏和密集图。相比之下，以前的方法要么需要$ \ rho = 1-o（1）$，要么仅限于稀疏图。该算法的症结是一个经过精心策划的植根树的家族，称为吊灯，它可以有效地从同一树的计数中提取图形相关性，同时抑制不同树木之间的不良相关性。

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。

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.

在本文中，我们提出了一个基于树张量网状状态的密度估计框架。所提出的方法包括使用Chow-Liu算法确定树拓扑，并获得线性系统通过草图技术定义张量 - 网络组件的线性系统。开发了草图功能的新颖选择，以考虑包含循环的图形模型。提供样品复杂性保证，并通过数值实验进一步证实。

我们介绍并研究了分布的邻居晶格分解，这是有条件独立性的紧凑，非图形表示，在没有忠实的图形表示的情况下是有效的。这个想法是将变量的一组社区视为子集晶格，并将此晶格分配到凸sublattices中，每个晶格都直接编码有条件的独立关系集合。我们表明，这种分解存在于任何组成型绘画中，并且可以在高维度中有效且一致地计算出来。 {特别是，这给了一种方法来编码满足组合公理的分布所隐含的所有独立关系，该分布严格比图形方法通常假定的忠实假设弱弱。}我们还讨论了各种特殊案例，例如图形模型和投影晶格，每个晶格都有直观的解释。一路上，我们看到了这个问题与邻域回归密切相关的，该回归已在图形模型和结构方程式的背景下进行了广泛的研究。