Graph-based learning is a rapidly growing sub-field of machine learning with applications in social networks, citation networks, and bioinformatics. One of the most popular models is graph attention networks. They were introduced to allow a node to aggregate information from features of neighbor nodes in a non-uniform way, in contrast to simple graph convolution which does not distinguish the neighbors of a node. In this paper, we study theoretically this expected behaviour of graph attention networks. We prove multiple results on the performance of graph attention mechanism for the problem of node classification for a contextual stochastic block model. Here the node features are obtained from a mixture of Gaussians and the edges from a stochastic block model. We show that in an "easy" regime, where the distance between the means of the Gaussians is large enough, graph attention is able to distinguish inter-class from intra-class edges, and thus it maintains the weights of important edges and significantly reduces the weights of unimportant edges. Consequently, we show that this implies perfect node classification. In the "hard" regime, we show that every attention mechanism fails to distinguish intra-class from inter-class edges. We evaluate our theoretical results on synthetic and real-world data.

图形卷积网络（GCN）是最受欢迎的体系结构之一，用于解决分类问题，并附有图形信息。我们对图形卷积在多层网络中的影响进行了严格的理论理解。我们通过与随机块模型结合的非线性分离高斯混合模型的节点分类问题研究这些效果。首先，我们表明，单个图卷积扩展了多层网络可以至少$ 1/\ sqrt [4] {\ Mathbb {e} {\ rm veg对数据进行分类的均值之间的距离。 }} $，其中$ \ mathbb {e} {\ rm deg} $表示节点的预期度。其次，我们表明，随着图的密度稍强，两个图卷积将此因素提高到至少$ 1/\ sqrt [4] {n} $，其中$ n $是图中的节点的数量。最后，我们对网络层中不同组合的图形卷积的性能提供了理论和经验见解，得出的结论是，对于所有位置的所有组合，性能都是相互相似的。我们对合成数据和现实世界数据进行了广泛的实验，以说明我们的结果。

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。

图形神经网络（GNN）在许多预测任务中表现出优于图形的优越性，因为它们在图形结构数据中捕获非线性关系的令人印象深刻。但是，对于节点分类任务，通常只观察到GNN在线性对应物上的边际改进。以前的作品对这种现象的理解很少。在这项工作中，我们求助于贝叶斯学习，以深入研究GNNS在节点分类任务中非线性的功能。鉴于从统计模型CSBM生成的图，我们观察到，给定其自身和邻居的属性的节点标签的最大a-后方估计包括两种类型的非线性，可能是节点属性和节点属性的非线性转换和来自邻居的重新激活特征聚合。后者令人惊讶地与许多GNN模型中使用的非线性类型匹配。通过进一步对节点属性施加高斯假设，我们证明，当节点属性比图形结构更具信息性时，这些relu激活的优越性才是显着的，该图与许多以前的经验观察非常匹配。当训练和测试数据集之间的节点属性分布变化时，可以实现类似的参数。最后，我们验证了关于合成和现实世界网络的理论。

社区检测是网络科学中的一个基本问题。在本文中，我们考虑了从$ HyperGraph $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $（HSBM）中绘制的HyperGraphs中的社区检测，重点是精确的社区恢复。在整个超图未知的情况下，我们研究了多项式时间算法以进行社区检测的性能。取而代之的是，我们获得了$相似性$ $ $ $ $ $ $ w $，其中$ w_ {ij} $报告包含$ i $和$ j $的超补品的数量。在此信息模型下，Kim，Bandeira和Goemans [KBG18]确定了信息理论阈值，以进行精确恢复，并提出了他们认为是最佳的半决赛编程松弛。在本文中，我们确认了这个猜想。我们还表明，一种简单，高效的光谱算法是最佳的，将光谱算法作为选择方法。我们对光谱算法的分析至关重要地依赖于$ w $的特征向量上的强$ entrywise $界限。我们的边界灵感来自Abbe，Fan，Wang和Zhong [AFWZ20]的工作，他们开发了具有独立条目的对称矩阵的特征向量的进入界。尽管相似性矩阵的依赖性结构复杂，但我们证明了相似的入口保证。

A central challenge of building more powerful Graph Neural Networks (GNNs) is the oversmoothing phenomenon, where increasing the network depth leads to homogeneous node representations and thus worse classification performance. While previous works have only demonstrated that oversmoothing is inevitable when the number of graph convolutions tends to infinity, in this paper, we precisely characterize the mechanism behind the phenomenon via a non-asymptotic analysis. Specifically, we distinguish between two different effects when applying graph convolutions -- an undesirable mixing effect that homogenizes node representations in different classes, and a desirable denoising effect that homogenizes node representations in the same class. By quantifying these two effects on random graphs sampled from the Contextual Stochastic Block Model (CSBM), we show that oversmoothing happens once the mixing effect starts to dominate the denoising effect, and the number of layers required for this transition is $O(\log N/\log (\log N))$ for sufficiently dense graphs with $N$ nodes. We also extend our analysis to study the effects of Personalized PageRank (PPR) on oversmoothing. Our results suggest that while PPR mitigates oversmoothing at deeper layers, PPR-based architectures still achieve their best performance at a shallow depth and are outperformed by the graph convolution approach on certain graphs. Finally, we support our theoretical results with numerical experiments, which further suggest that the oversmoothing phenomenon observed in practice may be exacerbated by the difficulty of optimizing deep GNN models.

为了捕获许多社区检测问题的固有几何特征，我们建议使用一个新的社区随机图模型，我们称之为\ emph {几何块模型}。几何模型建立在\ emph {随机几何图}（Gilbert，1961）上，这是空间网络的随机图的基本模型之一，就像在ERD \ H上建立的良好的随机块模型一样{o} s-r \'{en} yi随机图。它也是受到社区发现中最新的理论和实际进步启发的随机社区模型的自然扩展。为了分析几何模型，我们首先为\ emph {Random Annulus图}提供新的连接结果，这是随机几何图的概括。自引入以来，已经研究了几何图的连通性特性，并且由于相关的边缘形成而很难分析它们。然后，我们使用随机环形图的连接结果来提供必要的条件，以有效地为几何块模型恢复社区。我们表明，一种简单的三角计数算法来检测几何模型中的社区几乎是最佳的。为此，我们考虑了两个图密度方案。在图表的平均程度随着顶点的对数增长的状态中，我们表明我们的算法在理论上和实际上都表现出色。相比之下，三角计数算法对于对数学度方案中随机块模型远非最佳。我们还查看了图表的平均度与顶点$ n $的数量线性增长的状态，因此要存储一个需要$ \ theta（n^2）$内存的图表。我们表明，我们的算法需要在此制度中仅存储$ o（n \ log n）$边缘以恢复潜在社区。

本文研究了在两个边缘相关随机图之间恢复隐藏顶点对应的问题。我们专注于两个图形的高斯模型，其中两个图表是具有相关的高斯权重的完整图表和eRD \ h {o} sr \'enyi模型，其中两个图形是从常见的父erd \ h {o} sr \'enyi附带的图$ \ mathcal {g}（n，p）$。对于以$ p = n ^ { - o（1）} $的密集图，我们证明存在尖锐的阈值，上面可以正确地匹配，而是可以正确地匹配顶点的所有消失的分数，下面是不可能正确匹配的任何正部分的下降，一种称为“全无或无关”相转变的现象。更广泛地，在高斯环境中，高于阈值，所有顶点都可以与高概率完全匹配。相比之下，对于稀疏的ERD \ h {o} sr \'enyi图表，以$ p = n ^ { - \ theta（1）} $，我们表明全部或全无的现象不再持有，我们确定阈值达到恒定因素。沿途，我们还导出了精确恢复的尖锐阈值，锐化了ERD \ H {O} S-R'enyi图中的现有结果。负面结果的证明在基于截断的第二时刻计算和“区域定理”的相互信息的紧密表征之上构建，该“区域定理”将相互信息与重建误差的积分相关联。阳性结果从对最大似然估计器的严格分析，考虑到边缘上诱导置换的循环结构。

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。

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。

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。

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）。

我们重新审视耐受分发测试的问题。也就是说，给出来自未知分发$ P $超过$ \ {1，\ dots，n \} $的样本，它是$ \ varepsilon_1 $ -close到或$ \ varepsilon_2 $ -far从引用分发$ q $（总变化距离）？尽管过去十年来兴趣，但在极端情况下，这个问题很好。在无噪声设置（即，$ \ varepsilon_1 = 0 $）中，样本复杂性是$ \ theta（\ sqrt {n}）$，强大的域大小。在频谱的另一端时，当$ \ varepsilon_1 = \ varepsilon_2 / 2 $时，样本复杂性跳转到勉强su​​blinear $ \ theta（n / \ log n）$。然而，非常少于中级制度。我们充分地表征了分发测试中的公差价格，作为$ N $，$ varepsilon_1 $，$ \ varepsilon_2 $，最多一个$ \ log n $ factor。具体来说，我们显示了\ [\ tilde \ theta \ left的样本复杂性（\ frac {\ sqrt {n}} {\ varepsilon_2 ^ {2}} + \ frac {n} {\ log n} \ cdot \ max \左\ {\ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2 ^ 2}，\ left（\ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2 ^ 2} \右）^ {\！\！\！2} \ \ \} \右） ，\]提供两个先前已知的案例之间的顺利折衷。我们还为宽容的等价测试问题提供了类似的表征，其中$ p $和$ q $均未赘述。令人惊讶的是，在这两种情况下，对样本复杂性的主数量是比率$ \ varepsilon_1 / varepsilon_2 ^ 2 $，而不是更直观的$ \ varepsilon_1 / \ varepsilon_2 $。特别是技术兴趣是我们的下限框架，这涉及在以往的工作中处理不对称所需的新颖近似性理论工具，从而缺乏以前的作品。

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。

本文研究了具有对抗性误差的强大一位压缩感应的二进制分类。假设该模型过度分配，并且感兴趣的参数有效稀疏。adaboost被考虑，并且通过其与MAX - $ \ ell_1 $ -Margin-Scressifir的关系，派生预测错误界限。开发的理论是一般的，并且允许重型的特征分布，只需要一个薄弱的时刻假设和抗浓缩条件。当特征满足小偏差下限时，示出了改善的收敛速率。特别是，结果提供了解释为什么内插对抗性噪声对于分类问题可以是无害的。模拟说明了所提出的理论。

随机奇异值分解（RSVD）是用于计算大型数据矩阵截断的SVD的一类计算算法。给定A $ n \ times n $对称矩阵$ \ mathbf {m} $，原型RSVD算法输出通过计算$ \ mathbf {m mathbf {m} $的$ k $引导singular vectors的近似m}^{g} \ mathbf {g} $;这里$ g \ geq 1 $是一个整数，$ \ mathbf {g} \ in \ mathbb {r}^{n \ times k} $是一个随机的高斯素描矩阵。在本文中，我们研究了一般的“信号加上噪声”框架下的RSVD的统计特性，即，观察到的矩阵$ \ hat {\ mathbf {m}} $被认为是某种真实但未知的加法扰动信号矩阵$ \ mathbf {m} $。我们首先得出$ \ ell_2 $（频谱规范）和$ \ ell_ {2 \ to \ infty} $（最大行行列$ \ ell_2 $ norm）$ \ hat {\ hat {\ Mathbf {M}} $和信号矩阵$ \ Mathbf {M} $的真实单数向量。这些上限取决于信噪比（SNR）和功率迭代$ g $的数量。观察到一个相变现象，其中较小的SNR需要较大的$ g $值以保证$ \ ell_2 $和$ \ ell_ {2 \ to \ fo \ infty} $ distances的收敛。我们还表明，每当噪声矩阵满足一定的痕量生长条件时，这些相变发生的$ g $的阈值都会很清晰。最后，我们得出了近似奇异向量的行波和近似矩阵的进入波动的正常近似。我们通过将RSVD的几乎最佳性能保证在应用于三个统计推断问题的情况下，即社区检测，矩阵完成和主要的组件分析，并使用缺失的数据来说明我们的理论结果。

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。

我们研究了情节块MDP中模型估计和无奖励学习的问题。在这些MDP中，决策者可以访问少数潜在状态产生的丰富观察或上下文。我们首先对基于固定行为策略生成的数据估算潜在状态解码功能（从观测到潜在状态的映射）感兴趣。我们在估计此功能的错误率上得出了信息理论的下限，并提出了接近此基本限制的算法。反过来，我们的算法还提供了MDP的所有组件的估计值。然后，我们研究在无奖励框架中学习近乎最佳政策的问题。根据我们有效的模型估计算法，我们表明我们可以以最佳的速度推断出策略（随着收集样品的数量增长大）的最佳策略。有趣的是，我们的分析提供了必要和充分的条件，在这些条件下，利用块结构可以改善样本复杂性，以识别近乎最佳的策略。当满足这些条件时，Minimax无奖励设置中的样本复杂性将通过乘法因子$ n $提高，其中$ n $是可能的上下文数量。

我们呈现渐近最优的$（\ epsilon，\ delta）$差异私有机制，用于回答多个，自适应的$ \ delta $ -sursitive查询，解决Steinke和Ullman的猜想[2020]。我们的算法具有显着的优点，即它向每个查询增加独立的有界噪声，从而提供绝对误差。此外，我们在自适应数据分析中应用了我们的算法，获得了使用有限样本对某些基础分布的多个查询的改进保证。数值计算表明，界限噪声机制在许多标准设置中优于高斯机制。