我们提出了一种快速且数值准确的方法，用于扩展数字化的$ l \ times l $图像，代表$ [-1,1]^2 $在磁盘$ \ {x \ in \ in \ mathbb {r}^2：| |磁盘上的谐波（dirichlet laplacian eigenfunctions）中的x | <1 \} $。我们的方法以$ \ Mathcal {O}（l^2 \ log L）$操作运行。此基础也称为傅立叶贝塞尔基础，它具有多个计算优势：它是正交的，按频率订购，并且可以通过将对角线变换应用于系数来旋转，从而可以旋转图像。此外，我们表明，具有径向函数的卷积也可以通过将对角变换应用于系数进行有效计算。

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.

我们考虑从大型噪声测量图像中估算二维目标图像的多目标检测问题，该图像包含许多随机旋转和转换目标图像的副本。由单粒子冷冻电子显微镜进行的，我们专注于低信号到噪声状态，在该状态下，很难在测量中估算目标图像的位置和方向。我们的方法使用自相关分析来估计目标图像的旋转和翻译不变特征。我们证明，无论噪声水平如何，我们的技术都可以在测量足够大的情况下恢复目标图像。

We propose a novel method for constructing wavelet transforms of functions defined on the vertices of an arbitrary finite weighted graph. Our approach is based on defining scaling using the the graph analogue of the Fourier domain, namely the spectral decomposition of the discrete graph Laplacian L. Given a wavelet generating kernel g and a scale parameter t, we define the scaled wavelet operator T t g = g(tL). The spectral graph wavelets are then formed by localizing this operator by applying it to an indicator function. Subject to an admissibility condition on g, this procedure defines an invertible transform. We explore the localization properties of the wavelets in the limit of fine scales. Additionally, we present a fast Chebyshev polynomial approximation algorithm for computing the transform that avoids the need for diagonalizing L. We highlight potential applications of the transform through examples of wavelets on graphs corresponding to a variety of different problem domains.

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

高维偏微分方程（PDE）是一种流行的数学建模工具，其应用从财务到计算化学不等。但是，用于解决这些PDE的标准数值技术通常受维度的诅咒影响。在这项工作中，我们应对这一挑战，同时着重于在具有周期性边界条件的高维域上定义的固定扩散方程。受到高维度稀疏功能近似进展的启发，我们提出了一种称为压缩傅立叶搭配的新方法。结合了压缩感应和光谱搭配的想法，我们的方法取代了结构化置式网格用蒙特卡洛采样的使用，并采用了稀疏的恢复技术，例如正交匹配的追踪和$ \ ell^1 $最小化，以近似PDE的傅立叶系数解决方案。我们进行了严格的理论分析，表明所提出的方法的近似误差与最佳$ s $ term近似（相对于傅立叶基础）与解决方案相当。我们的分析使用了最近引入的随机采样框架，我们的分析表明，在足够条件下，根据扩散系数的规律性，压缩傅立叶搭配方法相对于搭配点的数量减轻了维数的诅咒。我们还提出了数值实验，以说明稀疏和可压缩溶液近似方法的准确性和稳定性。

我们研究了趋势过滤的多元版本，称为Kronecker趋势过滤或KTF，因为设计点以$ D $维度形成格子。 KTF是单变量趋势过滤的自然延伸（Steidl等，2006; Kim等人，2009; Tibshirani，2014），并通过最大限度地减少惩罚最小二乘问题，其罚款术语总和绝对（高阶）沿每个坐标方向估计参数的差异。相应的惩罚运算符可以编写单次趋势过滤惩罚运营商的Kronecker产品，因此名称Kronecker趋势过滤。等效，可以在$ \ ell_1 $ -penalized基础回归问题上查看KTF，其中基本功能是下降阶段函数的张量产品，是一个分段多项式（离散样条）基础，基于单变量趋势过滤。本文是Sadhanala等人的统一和延伸结果。 （2016,2017）。我们开发了一套完整的理论结果，描述了$ k \ grone 0 $和$ d \ geq 1 $的$ k ^ {\ mathrm {th}} $ over kronecker趋势过滤的行为。这揭示了许多有趣的现象，包括KTF在估计异构平滑的功能时KTF的优势，并且在$ d = 2（k + 1）$的相位过渡，一个边界过去（在高维对 - 光滑侧）线性泡沫不能完全保持一致。我们还利用Tibshirani（2020）的离散花键来利用最近的结果，特别是离散的花键插值结果，使我们能够将KTF估计扩展到恒定时间内的任何偏离晶格位置（与晶格数量的大小无关）。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

我们提供了新的基于梯度的方法，以便有效解决广泛的病态化优化问题。我们考虑最小化函数$ f：\ mathbb {r} ^ d \ lightarrow \ mathbb {r} $的问题，它是隐含的可分解的，作为$ m $未知的非交互方式的总和，强烈的凸起功能并提供方法这解决了这个问题，这些问题是缩放（最快的对数因子）作为组件的条件数量的平方根的乘积。这种复杂性绑定（我们证明几乎是最佳的）可以几乎指出的是加速梯度方法的几乎是指数的，这将作为$ F $的条件数量的平方根。此外，我们提供了求解该多尺度优化问题的随机异标变体的有效方法。而不是学习$ F $的分解（这将是过度昂贵的），而是我们的方法应用一个清洁递归“大步小步”交错标准方法。由此产生的算法使用$ \ tilde {\ mathcal {o}}（d m）$空间，在数字上稳定，并打开门以更细粒度的了解凸优化超出条件号的复杂性。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

Many applications, such as system identification, classification of time series, direct and inverse problems in partial differential equations, and uncertainty quantification lead to the question of approximation of a non-linear operator between metric spaces $\mathfrak{X}$ and $\mathfrak{Y}$. We study the problem of determining the degree of approximation of such operators on a compact subset $K_\mathfrak{X}\subset \mathfrak{X}$ using a finite amount of information. If $\mathcal{F}: K_\mathfrak{X}\to K_\mathfrak{Y}$, a well established strategy to approximate $\mathcal{F}(F)$ for some $F\in K_\mathfrak{X}$ is to encode $F$ (respectively, $\mathcal{F}(F)$) in terms of a finite number $d$ (repectively $m$) of real numbers. Together with appropriate reconstruction algorithms (decoders), the problem reduces to the approximation of $m$ functions on a compact subset of a high dimensional Euclidean space $\mathbb{R}^d$, equivalently, the unit sphere $\mathbb{S}^d$ embedded in $\mathbb{R}^{d+1}$. The problem is challenging because $d$, $m$, as well as the complexity of the approximation on $\mathbb{S}^d$ are all large, and it is necessary to estimate the accuracy keeping track of the inter-dependence of all the approximations involved. In this paper, we establish constructive methods to do this efficiently; i.e., with the constants involved in the estimates on the approximation on $\mathbb{S}^d$ being $\mathcal{O}(d^{1/6})$. We study different smoothness classes for the operators, and also propose a method for approximation of $\mathcal{F}(F)$ using only information in a small neighborhood of $F$, resulting in an effective reduction in the number of parameters involved.

我们调查识别来自域中的采样点的域的边界。我们向边界引入正常矢量的新估计，指向边界的距离，以及对边界条内的点位于边界的测试。可以有效地计算估算器，并且比文献中存在的估计更准确。我们为估算者提供严格的错误估计。此外，我们使用检测到的边界点来解决Point云上PDE的边值问题。我们在点云上证明了LAPLACH和EIKONG方程的错误估计。最后，我们提供了一系列数值实验，说明了我们的边界估计器，在点云上的PDE应用程序的性能，以及在图像数据集上测试。

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。

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。

我们提出了一种基于langevin扩散的算法，以在球体的产物歧管上进行非凸优化和采样。在对数Sobolev不平等的情况下，我们根据Kullback-Leibler Divergence建立了有限的迭代迭代收敛到Gibbs分布的保证。我们表明，有了适当的温度选择，可以保证，次级最小值的次数差距很小，概率很高。作为一种应用，我们考虑了使用对角线约束解决半决赛程序（SDP）的burer- monteiro方法，并分析提出的langevin算法以优化非凸目标。特别是，我们为Burer建立了对数Sobolev的不平等现象 - 当没有虚假的局部最小值时，但在鞍点下，蒙蒂罗问题。结合结果，我们为SDP和最大切割问题提供了全局最佳保证。更确切地说，我们证明了Langevin算法在$ \ widetilde {\ omega}（\ epsilon^{ - 5}）$ tererations $ tererations $ \ widetilde {\ omega}（\ omega}中，具有很高的概率。

当图形亲和力矩阵是由$ n $随机样品构建的，在$ d $ d $维歧管上构建图形亲和力矩阵时，这项工作研究图形拉普拉斯元素与拉普拉斯 - 贝特拉米操作员的光谱收敛。通过分析DIRICHLET形成融合并通过歧管加热核卷积构建候选本本函数，我们证明，使用高斯内核，可以设置核band band band band parame $ \ epsilon \ sim \ sim（\ log n/ n/ n）^{1/（D /2+2）} $使得特征值收敛率为$ n^{ - 1/（d/2+2）} $，并且2-norm中的特征向量收敛率$ n^{ - 1/（d+） 4）} $;当$ \ epsilon \ sim（\ log n/n）^{1/（d/2+3）} $时，eigenValue和eigenVector速率均为$ n^{ - 1/（d/2+3）} $。这些费率最高为$ \ log n $因素，并被证明是有限的许多低洼特征值。当数据在歧管上均匀采样以及密度校正的图laplacian（在两个边的度矩阵中归一化）时，结果适用于非归一化和随机漫步图拉普拉斯laplacians laplacians laplacians以及密度校正的图laplacian（其中两侧的级别矩阵）采样数据。作为中间结果，我们证明了密度校正图拉普拉斯的新点和差异形式的收敛速率。提供数值结果以验证理论。

通过建立神经网络和内核方法之间的联系，无限宽度极限阐明了深度学习的概括和优化方面。尽管它们的重要性，但这些内核方法的实用性在大规模学习设置中受到限制，因为它们（超）二次运行时和内存复杂性。此外，大多数先前关于神经内核的作品都集中在relu激活上，这主要是由于其受欢迎程度，但这也是由于很难计算此类内核来进行一般激活。在这项工作中，我们通过提供进行一般激活的方法来克服此类困难。首先，我们编译和扩展激活功能的列表，该函数允许精确的双重激活表达式计算神经内核。当确切的计算未知时，我们提出有效近似它们的方法。我们提出了一种快速的素描方法，该方法近似于任何多种多层神经网络高斯过程（NNGP）内核和神经切线核（NTK）矩阵，以实现广泛的激活功能，这超出了常见的经过分析的RELU激活。这是通过显示如何使用任何所需激活函​​数的截短的Hermite膨胀来近似神经内核来完成的。虽然大多数先前的工作都需要单位球体上的数据点，但我们的方法不受此类限制的影响，并且适用于$ \ Mathbb {r}^d $中的任何点数据集。此外，我们为NNGP和NTK矩阵提供了一个子空间嵌入，具有接近输入的距离运行时和接近最佳的目标尺寸，该目标尺寸适用于任何\ EMPH {均质}双重激活功能，具有快速收敛的Taylor膨胀。从经验上讲，关于精确的卷积NTK（CNTK）计算，我们的方法可实现$ 106 \ times $速度，用于在CIFAR-10数据集上的5层默特网络的近似CNTK。

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。