Random graph models with community structure have been studied extensively in the literature. For both the problems of detecting and recovering community structure, an interesting landscape of statistical and computational phase transitions has emerged. A natural unanswered question is: might it be possible to infer properties of the community structure (for instance, the number and sizes of communities) even in situations where actually finding those communities is believed to be computationally hard? We show the answer is no. In particular, we consider certain hypothesis testing problems between models with different community structures, and we show (in the low-degree polynomial framework) that testing between two options is as hard as finding the communities. In addition, our methods give the first computational lower bounds for testing between two different `planted' distributions, whereas previous results have considered testing between a planted distribution and an i.i.d. `null' distribution.

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。

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。

Suppose we are given an $n$-dimensional order-3 symmetric tensor $T \in (\mathbb{R}^n)^{\otimes 3}$ that is the sum of $r$ random rank-1 terms. The problem of recovering the rank-1 components is possible in principle when $r \lesssim n^2$ but polynomial-time algorithms are only known in the regime $r \ll n^{3/2}$. Similar "statistical-computational gaps" occur in many high-dimensional inference tasks, and in recent years there has been a flurry of work on explaining the apparent computational hardness in these problems by proving lower bounds against restricted (yet powerful) models of computation such as statistical queries (SQ), sum-of-squares (SoS), and low-degree polynomials (LDP). However, no such prior work exists for tensor decomposition, largely because its hardness does not appear to be explained by a "planted versus null" testing problem. We consider a model for random order-3 tensor decomposition where one component is slightly larger in norm than the rest (to break symmetry), and the components are drawn uniformly from the hypercube. We resolve the computational complexity in the LDP model: $O(\log n)$-degree polynomial functions of the tensor entries can accurately estimate the largest component when $r \ll n^{3/2}$ but fail to do so when $r \gg n^{3/2}$. This provides rigorous evidence suggesting that the best known algorithms for tensor decomposition cannot be improved, at least by known approaches. A natural extension of the result holds for tensors of any fixed order $k \ge 3$, in which case the LDP threshold is $r \sim n^{k/2}$.

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。

我们开发了一种高效的随机块模型中的弱恢复算法。该算法与随机块模型的Vanilla版本的最佳已知算法的统计保证匹配。从这个意义上讲，我们的结果表明，随机块模型没有稳健性。我们的工作受到最近的银行，Mohanty和Raghavendra（SODA 2021）的工作，为相应的区别问题提供了高效的算法。我们的算法及其分析显着脱离了以前的恢复。关键挑战是我们算法的特殊优化景观：种植的分区可能远非最佳意义，即完全不相关的解决方案可以实现相同的客观值。这种现象与PCA的BBP相转变的推出效应有关。据我们所知，我们的算法是第一个在非渐近设置中存在这种推出效果的鲁棒恢复。我们的算法是基于凸优化的框架的实例化（与平方和不同的不同），这对于其他鲁棒矩阵估计问题可能是有用的。我们的分析的副产物是一种通用技术，其提高了任意强大的弱恢复算法的成功（输入的随机性）从恒定（或缓慢消失）概率以指数高概率。

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。

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。

我们在分布式框架中得出最小值测试错误，其中数据被分成多个机器，并且它们与中央机器的通信仅限于$ b $位。我们研究了高斯白噪声下的$ d $ - 和无限维信号检测问题。我们还得出达到理论下限的分布式测试算法。我们的结果表明，分布式测试受到从根本上不同的现象，这些现象在分布式估计中未观察到。在我们的发现中，我们表明，可以访问共享随机性的测试协议在某些制度中的性能比不进行的测试协议可以更好地表现。我们还观察到，即使仅使用单个本地计算机上可用的信息，一致的非参数分布式测试始终是可能的，即使只有$ 1 $的通信和相应的测试优于最佳本地测试。此外，我们还得出了自适应非参数分布测试策略和相应的理论下限。

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。

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.

Motivated by alignment of correlated sparse random graphs, we introduce a hypothesis testing problem of deciding whether or not two random trees are correlated. We obtain sufficient conditions under which this testing is impossible or feasible. We propose MPAlign, a message-passing algorithm for graph alignment inspired by the tree correlation detection problem. We prove MPAlign to succeed in polynomial time at partial alignment whenever tree detection is feasible. As a result our analysis of tree detection reveals new ranges of parameters for which partial alignment of sparse random graphs is feasible in polynomial time. We then conjecture that graph alignment is not feasible in polynomial time when the associated tree detection problem is impossible. If true, this conjecture together with our sufficient conditions on tree detection impossibility would imply the existence of a hard phase for graph alignment, i.e. a parameter range where alignment cannot be done in polynomial time even though it is known to be feasible in non-polynomial time.

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。

我们研究了张量张量的回归，其中的目标是将张量的响应与张量协变量与塔克等级参数张量/矩阵连接起来，而没有其内在等级的先验知识。我们提出了Riemannian梯度下降（RGD）和Riemannian Gauss-Newton（RGN）方法，并通过研究等级过度参数化的影响来应对未知等级的挑战。我们通过表明RGD和RGN分别线性地和四边形地收敛到两个等级的统计最佳估计值，从而为一般的张量调节回归提供了第一个收敛保证。我们的理论揭示了一种有趣的现象：Riemannian优化方法自然地适应了过度参数化，而无需修改其实施。我们还为低度多项式框架下的标量调整回归中的统计计算差距提供了第一个严格的证据。我们的理论证明了``统计计算差距的祝福''现象：在张张量的张量回归中，对于三个或更高的张紧器，在张张量的张量回归中，计算所需的样本量与中等级别相匹配的计算量相匹配。在考虑计算可行的估计器时，虽然矩阵设置没有此类好处。这表明中等等级的过度参数化本质上是``在张量调整的样本量三分或更高的样本大小上，三分或更高的样本量。最后，我们进行仿真研究以显示我们提出的方法的优势并证实我们的理论发现。

我们研究了恢复单位 - 总稀疏主组件$ x \ in \ mathbb {r}^n $在随机矩阵中种植的计算成本，以wigner或wishart尖峰模型（观察$ w + \ lambda xx xx^xx^ \ top $带有从高斯正交集合中绘制的$ w $，或分别来自$ \ Mathcal {n}（0，i_n + \ beta xx^\ top）$的$ n $独立样本，分别为$）。先前的工作表明，当信噪比（分别$ \ lambda $或$ \ beta \ sqrt {n/n} $）是一个小常数，而种植向量中的非零入口的分数为$ \ \ \ | x \ | _0 / n = \ rho $，如果$ \ rho \ sillsim 1 / \ sqrt {n} $，可以在多项式时间内恢复$ x $。虽然可以在较弱的条件下以$ \ rho \ ll 1 $恢复指数时间的$ x $，但据信，除非$ \ rho \ rho \ simsim 1/\ sqrt {n} $，否则不可能多项式时间恢复。我们研究了“可能但难”制度中恢复所需的精确时间，$ 1/\ sqrt {n} \ ll \ ll \ rho \ ll 1 $通过探索次指定时间算法的功能，即，在时间$中运行的算法$ \ exp（n^\ delta）$对于某些常数$ \ delta \ in（0,1）$。对于任何$ 1/\ sqrt {n} \ ll \ rho \ ll 1 $，我们给出了一个恢复算法的运行时大约$ \ exp（\ rho^2 n）$，表明了稀疏和runtime之间的平稳折衷。我们的算法家族在两种现有算法之间平稳地插入：多项式时间对角线阈值算法和$ \ exp（\ rho n）$ - 时间详尽的搜索算法。此外，通过分析低度的似然比，我们提供了严格的证据，表明我们算法实现的权衡是最佳的。

给定尺寸$ d $中的独立标准高斯点$ v_1，\ ldots，v_n $，对于$（n，d）$的值（n，d）$的值很高，概率很高，同时通过所有要点？将椭圆形拟合到随机点的基本问题与低级别矩阵分解，独立的组件分析和主成分分析有连接。基于有力的数值证据，桑德森，帕里洛和威尔斯基[Proc。关于决策和控制会议，第6031-6036页，2013年]猜想，椭圆形拟合问题的问题从可行的到不可行的$ n $增加，并在$ n \ sim d^2/4处急剧阈值$。我们通过为某些$ n = \ omega（\，d^2/\ log^5（d）\，）$构建合适的椭圆形来解决这个猜想，从而改善了Ghosh等人的先前工作。 [Proc。关于计算机科学基础的研讨会，第954-965、2020页]，需要$ n = o（d^{3/2}）$。我们的证明证明了Saunderson等人的最小二乘结构的可行性。使用对特定非标准随机矩阵的特征向量和特征值进行仔细的分析。

在本文中，我们解决了测试两个观察到的树$（t，t'）$是独立采样还是从它们相关的联合分布中进行采样的问题。这个问题我们称为树中的相关检测，在两个相关随机图的图形对齐中起着关键作用。通过图形对准，我们研究了单方面测试的存在条件，即具有I型误差和非呈现能力的消失的测试。对于带有平均$ \ lambda的Poisson后代的相关Galton-Watson模型，我们在（0,1）$中$ s $ s \ s $ s \ in（0,1）$，我们在$ s = \ sqrt { \ alpha} $，其中$ \ alpha \ sim 0.3383 $是Otter的常数。也就是说，我们证明，对于$ s \ leq \ sqrt {\ alpha} $，不存在此类测试，并且每当$ \ sqrt {\ alpha} $，$ \ lambda $ for Empoot Foom Foom时，就存在此类测试。该结果为稀疏制度（$ o（1）$平均节点度）以及Ganassali等人研究的MPALIGN方法的性能提供了有关图形对准问题的新启示。 （2021），Piccioli等。 （2021），特别是Piccioli等人的猜想。 （2021）MPALIGN在相关参数的部分恢复任务中取得成功，提供了平均节点度$ \ lambda $的平均节点$ \ lambda $足够大。

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。

我们研究了稀疏张量主成分分析的问题：给定张量$ \ pmb y = \ pmb w + \ lambda x ^ {\ otimes p} $ with $ \ pmb w \ in \ otimes ^ p \ mathbb {r} ^ n $拥有iid高斯条目，目标是恢复$ k $ -parse单位矢量$ x \ in \ mathbb {r} ^ n $。该模型捕获稀疏PCA（其Wigner形式）和张量PCA。对于$ k \ leq \ sqrt {n} $的高稀疏制度，我们介绍了一系列平滑地插值在简单的多项式算法和指数时穷举搜索算法之间的算法。对于任何$ 1 \ leq t \ leq k $，我们的算法恢复了信噪比$ \ lambda \ geq \ tilde {\ mathcal {o}}（\ sqrt {t} \ cdot（k / t ）^ {p / 2}）$时间$ \ tilde {\ mathcal {o}}（n ^ {p + t}）$，捕获矩阵设置的最先进的保证（在两者中多项式时间和子指数时间制度）。我们的结果自然地延伸到$ r $ distinct $ k $ -parse信号的案例与不相交的支持，保证与尖峰的数量无关。即使在稀疏PCA的局限性情况下，已知的算法也仅恢复$ \ lambda \ geq \ tilde {\ mathcal {o}}（k \ cdot r）$的稀疏向量，而我们的算法需要$ \ lambda \ geq \ tilde { \ mathcal {o}}（k）$。最后，通过分析低度似然比，我们将这些算法结果补充，具体证据说明信噪比和运行时间之间的权衡。该下限捕获稀疏PCA和张量PCA的已知下限。在这一普通模型中，我们在标准数量$ N $，稀疏$ k $的样本数量之间观察更复杂的三方权衡，以及张力电源$ p $。