模型提取攻击已经再次兴趣了解来自查询的神经网络的经典问题。在这项工作中，我们给出了学习任意一个隐藏层神经网络激活的第一个多项式时间算法，提供了对网络的黑盒访问。正式，我们表明，如果$ F $是一个具有Relu激活的任意一个隐藏的层神经网络，则存在一个具有Query复杂性和运行时间的算法，这些复杂性和运行时间在所有参数中输出网络$ f'$实现低平方丢失相对达到高斯措施的$ F $。虽然安全文献中的许多作品已经提出和经验证明了某些算法的有效性，但是，即使对于最坏情况的网络，我们也是最完全多项式时间对效率保证的影响（特别是我们的算法在整个算法中取得成功）环境）。

我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。

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.

我们重新审视量子状态认证的基本问题：给定混合状态$ \ rho \中的副本\ mathbb {c} ^ {d \ times d} $和混合状态$ \ sigma $的描述，决定是否$ \ sigma = \ rho $或$ \ | \ sigma - \ rho \ | _ {\ mathsf {tr}} \ ge \ epsilon $。当$ \ sigma $最大化时，这是混合性测试，众所周知，$ \ omega（d ^ {\ theta（1）} / \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，所以确切的指数取决于测量类型学习者可以使[OW15，BCL20]，并且在许多这些设置中，有一个匹配的上限[OW15，Bow19，BCL20]。可以避免这种$ d ^ {\ theta（1）} $依赖于某些类型的混合状态$ \ sigma $，例如。大约低等级的人？更常见地，是否存在一个简单的功能$ f：\ mathbb {c} ^ {d \ times d} \ to \ mathbb {r} _ {\ ge 0} $，其中一个人可以显示$ \ theta（f（ \ sigma）/ \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，并且足以就任何$ \ sigma $的国家认证？这种实例 - 最佳边界在经典分布测试的背景下是已知的，例如， [VV17]。在这里，我们为量子设置提供了这个性质的第一个界限，显示（达到日志因子），即使用非接受不连贯测量的状态认证的复杂性复杂性基本上是通过复制复杂性进行诸如$ \ sigma $之间的保真度的复杂性。和最大混合的状态。令人惊讶的是，我们的界限与经典问题的实例基本上不同，展示了两个设置之间的定性差异。

我们给出了\ emph {list-codobable协方差估计}的第一个多项式时间算法。对于任何$ \ alpha> 0 $，我们的算法获取输入样本$ y \ subseteq \ subseteq \ mathbb {r}^d $ size $ n \ geq d^{\ mathsf {poly}（1/\ alpha）} $获得通过对抗损坏I.I.D的$（1- \ alpha）n $点。从高斯分布中的样本$ x $ size $ n $，其未知平均值$ \ mu _*$和协方差$ \ sigma _*$。在$ n^{\ mathsf {poly}（1/\ alpha）} $ time中，它输出$ k = k（\ alpha）=（1/\ alpha）^{\ mathsf {poly}的常数大小列表（1/\ alpha）} $候选参数，具有高概率，包含$（\ hat {\ mu}，\ hat {\ sigma}）$，使得总变化距离$ tv（\ Mathcal {n}（n}）（n}（n}）（ \ mu _*，\ sigma _*），\ Mathcal {n}（\ hat {\ mu}，\ hat {\ sigma}））<1-o _ {\ alpha}（1）$。这是距离的统计上最强的概念，意味着具有独立尺寸误差的参数的乘法光谱和相对Frobenius距离近似。我们的算法更普遍地适用于$（1- \ alpha）$ - 任何具有低度平方总和证书的分布$ d $的损坏，这是两个自然分析属性的：1）一维边际和抗浓度2）2度多项式的超收缩率。在我们工作之前，估计可定性设置的协方差的唯一已知结果是针对Karmarkar，Klivans和Kothari（2019），Raghavendra和Yau（2019和2019和2019和2019和2019年）的特殊情况。 2020年）和巴克西（Bakshi）和科塔里（Kothari）（2020年）。这些结果需要超级物理时间，以在基础维度中获得任何子构误差。我们的结果意味着第一个多项式\ emph {extcect}算法，用于列表可解码的线性回归和子空间恢复，尤其允许获得$ 2^{ - \ Mathsf { - \ Mathsf {poly}（d）} $多项式时间错误。我们的结果还意味着改进了用于聚类非球体混合物的算法。

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。

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.

众所周知，给定顺滑，界限 - 下面，并且可能的非透露函数，标准梯度的方法可以找到$ \ epsilon $ -stationary积分（渐变范围小于$ \ epsilon $）$ \ mathcal {O}（1 / \ epsilon ^ 2）$迭代。然而，许多重要的非渗透优化问题，例如与培训现代神经网络相关的问题，本质上是不平衡的，使这些结果不适用。在本文中，我们研究了来自Oracle复杂性视点的非透射性优化，其中假设算法仅向各个点处的函数提供访问。我们提供两个主要结果：首先，我们考虑越近$ \ epsilon $ -storationary积分的问题。这也许是找到$ \ epsilon $ -storationary积分的最自然的放松，这在非对象案例中是不可能的。我们证明，对于任何距离和epsilon $小于某些常数，无法有效地实现这种轻松的目标。我们的第二次结果涉及通过减少到平滑的优化来解决非光度非渗透优化的可能性：即，在光滑的近似值对目标函数的平滑近似下应用平滑的优化方法。对于这种方法，我们在温和的假设下证明了oracle复杂性和平滑度之间的固有权衡：一方面，可以非常有效地平滑非光滑非凸函数（例如，通过随机平滑），但具有尺寸依赖性因子在平滑度参数中，在插入标准平滑优化方法时，这会强烈影响迭代复杂性。另一方面，可以用合适的平滑方法消除这些尺寸因子，而是仅通过使平滑过程的Oracle复杂性呈指数大。

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。

单调功能和数据集在各种应用中都会出现。我们研究单调数据集的插值问题：输入是带有$ n $点的单调数据集，目标是找到一个大小和深度有效的单调神经网络，具有非负参数和阈值单元，可以插入数据放。我们表明，单调数据集无法通过深度$ 2 $的单调网络插值。另一方面，我们证明，对于每个单调数据集，在$ \ mathbb {r}^d $中$ n $点，存在一个插值的单调网络，该网络的深度为$ 4 $ $ 4 $和size $ o（nd）$。我们的插值结果意味着，每个单调功能超过$ [0,1]^d $可以通过DEPTH-4单调网络任意地近似，从而改善了先前最著名的深度构建$ d+1 $。最后，基于布尔电路复杂性的结果，我们表明，当近似单调函数时，具有正参数的电感偏差会导致神经元数量的超顺式爆炸。

我们研究了Massart噪声的PAC学习半圆的问题。给定标记的样本$（x，y）$从$ \ mathbb {r} ^ {d} ^ {d} \ times \ times \ {\ pm 1 \} $，这样的例子是任意的和标签$ y $ y $ y $ x $是由按萨塔特对手损坏的目标半空间与翻转概率$ \ eta（x）\ leq \ eta \ leq 1/2 $，目标是用小小的假设计算假设错误分类错误。这个问题的最佳已知$ \ mathrm {poly}（d，1 / \ epsilon）$时间算法实现$ \ eta + \ epsilon $的错误，这可能远离$ \ mathrm {opt} +的最佳界限\ epsilon $，$ \ mathrm {opt} = \ mathbf {e} _ {x \ sim d_x} [\ eta（x）] $。虽然已知实现$ \ mathrm {opt} + O（1）$误差需要超级多项式时间在统计查询模型中，但是在已知的上限和下限之间存在大的间隙。在这项工作中，我们基本上表征了统计查询（SQ）模型中Massart HalfSpaces的有效可读性。具体来说，我们表明，在$ \ mathbb {r} ^ d $中没有高效的sq算法用于学习massart halfpaces ^ d $可以比$ \ omega（\ eta）$更好地实现错误，即使$ \ mathrm {opt} = 2 ^ { - - \ log ^ {c}（d）$，适用于任何通用常量$ c \ in（0,1）$。此外，当噪声上限$ \ eta $接近$ 1/2 $时，我们的错误下限变为$ \ eta - o _ {\ eta}（1）$，其中$ o _ {\ eta}（1）$当$ \ eta $接近$ 1/2 $时，术语达到0美元。我们的结果提供了强有力的证据表明，大规模半空间的已知学习算法几乎是最可能的，从而解决学习理论中的长期开放问题。

我们研究了学习单个神经元的基本问题，即$ \ mathbf {x} \ mapsto \ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ cdot \ mathbf {x}）$单调激活$ \ sigma $ \ sigma： \ mathbb {r} \ mapsto \ mathbb {r} $，相对于$ l_2^2 $ -loss，在存在对抗标签噪声的情况下。具体来说，我们将在$（\ mathbf {x}，y）\ in \ mathbb {r}^d \ times \ times \ mathbb {r} $上给我们从$（\ mathbf {x}，y）\ on a发行$ d $中给我们标记的示例。 }^\ ast \ in \ mathbb {r}^d $ achieving $ f（\ mathbf {w}^\ ast）= \ epsilon $，其中$ f（\ mathbf {w}）= \ m马理bf {e} （\ mathbf {x}，y）\ sim d} [（\ sigma（\ mathbf {w} \ cdot \ mathbf {x}） - y）^2] $。学习者的目标是输出假设向量$ \ mathbf {w} $，以使$ f（\ m athbb {w}）= c \，\ epsilon $具有高概率，其中$ c> 1 $是通用常数。作为我们的主要贡献，我们为广泛的分布（包括对数 - 循环分布）和激活功能提供有效的恒定因素近似学习者。具体地说，对于各向同性对数凸出分布的类别，我们获得以下重要的推论：对于逻辑激活，我们获得了第一个多项式时间常数因子近似（即使在高斯分布下）。我们的算法具有样品复杂性$ \ widetilde {o}（d/\ epsilon）$，这在多毛体因子中很紧。对于relu激活，我们给出了一个有效的算法，带有样品复杂性$ \ tilde {o}（d \，\ polylog（1/\ epsilon））$。在我们工作之前，最著名的常数因子近似学习者具有样本复杂性$ \ tilde {\ omega}（d/\ epsilon）$。在这两个设置中，我们的算法很简单，在（正规）$ L_2^2 $ -LOSS上执行梯度散发。我们的算法的正确性取决于我们确定的新结构结果，表明（本质上是基本上）基础非凸损失的固定点大约是最佳的。

训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。

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。

我们研究了测试有序域上的离散概率分布是否是指定数量的垃圾箱的直方图。$ k $的简洁近似值的最常见工具之一是$ k $ [n] $，是概率分布，在一组$ k $间隔上是分段常数的。直方图测试问题如下：从$ [n] $上的未知分布中给定样品$ \ mathbf {p} $，我们想区分$ \ mathbf {p} $的情况从任何$ k $ - 组织图中，总变化距离的$ \ varepsilon $ -far。我们的主要结果是针对此测试问题的样本接近最佳和计算有效的算法，以及几乎匹配的（在对数因素内）样品复杂性下限。具体而言，我们表明直方图测试问题具有样品复杂性$ \ widetilde \ theta（\ sqrt {nk} / \ varepsilon + k / \ varepsilon^2 + \ sqrt {n} / \ varepsilon^2）$。

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。

在这项工作中，我们研究了鲁布利地学习Mallows模型的问题。我们给出了一种算法，即使其样本的常数分数是任意损坏的恒定分数，也可以准确估计中央排名。此外，我们的稳健性保证是无关的，因为我们的整体准确性不依赖于排名的替代品的数量。我们的工作可以被认为是从算法稳健统计到投票和信息聚集中的中央推理问题之一的视角的自然输注。具体而言，我们的投票规则是有效的可计算的，并且通过一大群勾结的选民无法改变其结果。

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.

深度分离结果提出了对深度神经网络过较浅的架构的好处的理论解释，建立前者具有卓越的近似能力。然而，没有已知的结果，其中更深的架构利用这种优势成为可提供的优化保证。我们证明，当数据由具有满足某些温和假设的径向对称的分布产生的数据时，梯度下降可以使用具有两层S形激活的深度2神经网络有效地学习球指示器功能，并且隐藏层固定在一起训练。由于众所周知，当使用用单层非线性的深度2网络（Safran和Shamir，2017）使用深度2网络时，球指示器难以近似于一定的重型分配，这建立了我们最好的知识，基于第一优化的分离结果，其中近似架构的近似效益在实践中可怕的。我们的证明技术依赖于随机特征方法，该方法减少了用单个神经元学习的问题，其中新工具需要在数据分布重尾时显示梯度下降的收敛。

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。