SemideFinite编程（SDP）是一个统一的框架，可以概括线性编程和四二次二次编程，同时在理论和实践中也产生有效的求解器。但是，当覆盖SDP的约束以在线方式到达时，存在近似最佳解决方案的已知结果。在本文中，我们研究了在线涵盖线性和半决赛程序，其中通过可能错误的预测指标的建议增强了算法。我们表明，如果预测变量是准确的，我们可以有效地绕过这些不可能的结果，并在最佳解决方案（即一致性）上实现恒定因素近似值。另一方面，如果预测变量不准确，在某些技术条件下，我们取得的结果既匹配经典的最佳上限和紧密的下限，则达到恒定因素，即稳健性。更广泛地，我们引入了一个框架，该框架既扩展了（1）由Bamas，Maggiori和Svensson（Neurips 2020）研究的机器学习预测变量增加的在线套装问题，以及（2）在线覆盖SDP问题，由SDP问题发起。 Elad，Kale和Naor（ICALP 2016）。具体而言，我们获得了一般的在线学习算法，用于涵盖具有分数建议和约束的线性程序，并启动学习启发算法以涵盖SDP问题的研究。我们的技术基于Buchbinder和NAOR的原始二次框架（操作研究的数学，34，2009），并且可以进一步调整以处理变量位于有限区域的约束，即框约束。

本文研究在线算法增强了多个机器学习预测。尽管近年来已经广泛研究了随着单个预测的增强在线算法，但多个预测设置的文献很少。在本文中，我们提供了一个通用算法框架，用于在线涵盖多个预测的问题，该框架获得了在线解决方案，该解决方案具有与最佳预测指标的性能相对的竞争力。我们的算法将预测的使用纳入了在线算法的经典分析中。我们应用算法框架来解决经典问题，例如在线封面，（加权）缓存和在线设施位置，以在多个预测设置中。我们的算法也可以鲁棒化，即，可以根据最佳的预测和最佳在线算法的性能（无预测）同时使算法具有竞争力。

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。

The research area of algorithms with predictions has seen recent success showing how to incorporate machine learning into algorithm design to improve performance when the predictions are correct, while retaining worst-case guarantees when they are not. Most previous work has assumed that the algorithm has access to a single predictor. However, in practice, there are many machine learning methods available, often with incomparable generalization guarantees, making it hard to pick a best method a priori. In this work we consider scenarios where multiple predictors are available to the algorithm and the question is how to best utilize them. Ideally, we would like the algorithm's performance to depend on the quality of the best predictor. However, utilizing more predictions comes with a cost, since we now have to identify which prediction is the best. We study the use of multiple predictors for a number of fundamental problems, including matching, load balancing, and non-clairvoyant scheduling, which have been well-studied in the single predictor setting. For each of these problems we introduce new algorithms that take advantage of multiple predictors, and prove bounds on the resulting performance.

求解线性系统的迭代方法的收敛速率$ \ mathbf {a} x = b $通常取决于矩阵$ \ mathbf {a} $的条件号。预处理是通过以计算廉价的方式减少该条件号来加速这些方法的常用方式。在本文中，我们通过左或右对角线重构重新审视如何最好地提高$ \ mathbf {a}条件号的数十年。我们在几个方向上取得了这个问题。首先，我们为缩放$ \ mathbf {a} $的经典启发式提供了新的界限（a.k.a.jacobi预处理）。我们证明了这种方法将$ \ MATHBF {a} $的条件号减少到最佳可能缩放的二次因素中。其次，我们为结构化混合包装和覆盖了Semidefinite程序（MPC SDP）提供了一个求解器，它计算$ \ mathbf {a} $ in $ \ widetilde {o}（\ text {nnz}（\ mathbf {a}）\ cdot \ text {poly}（\ kappa ^ \ star））$ time;这与在缩放到$ \ widetilde {o}（\ text {poly}（\ kappa ^ \ star））$ factors之后求解线性系统的成本匹配。第三，我们证明了足够一般的宽度无关的MPC SDP求解器将暗示我们考虑的缩放问题的近乎最佳的运行时间，以及与平均调理措施有关的自然变体。最后，我们突出了我们的预处理技术与半随机噪声模型的连接，以及在几种统计回归模型中降低风险的应用。

我们研究了用于线性回归的主动采样算法，该算法仅旨在查询目标向量$ b \ in \ mathbb {r} ^ n $的少量条目，并将近最低限度输出到$ \ min_ {x \ In \ mathbb {r} ^ d} \ | ax-b \ | $，其中$ a \ in \ mathbb {r} ^ {n \ times d} $是一个设计矩阵和$ \ | \ cdot \ | $是一些损失函数。对于$ \ ell_p $ norm回归的任何$ 0 <p <\ idty $，我们提供了一种基于Lewis权重采样的算法，其使用只需$ \ tilde {o}输出$（1+ \ epsilon）$近似解决方案（d ^ {\ max（1，{p / 2}）} / \ mathrm {poly}（\ epsilon））$查询到$ b $。我们表明，这一依赖于$ D $是最佳的，直到对数因素。我们的结果解决了陈和Derezi的最近开放问题，陈和Derezi \'{n} Ski，他们为$ \ ell_1 $ norm提供了附近的最佳界限，以及$ p \中的$ \ ell_p $回归的次优界限（1,2） $。我们还提供了$ O的第一个总灵敏度上限（D ^ {\ max \ {1，p / 2 \} \ log ^ 2 n）$以满足最多的$ p $多项式增长。这改善了Tukan，Maalouf和Feldman的最新结果。通过将此与我们的技术组合起来的$ \ ell_p $回归结果，我们获得了一个使$ \ tilde o的活动回归算法（d ^ {1+ \ max \ {1，p / 2 \}} / \ mathrm {poly}。 （\ epsilon））$疑问，回答陈和德里兹的另一个打开问题{n}滑雪。对于Huber损失的重要特殊情况，我们进一步改善了我们对$ \ tilde o的主动样本复杂性的绑定（d ^ {（1+ \ sqrt2）/ 2} / \ epsilon ^ c）$和非活跃$ \ tilde o的样本复杂性（d ^ {4-2 \ sqrt 2} / \ epsilon ^ c）$，由于克拉克森和伍德拉夫而改善了Huber回归的以前的D ^ 4 $。我们的敏感性界限具有进一步的影响，使用灵敏度采样改善了各种先前的结果，包括orlicz规范子空间嵌入和鲁棒子空间近似。最后，我们的主动采样结果为每种$ \ ell_p $ norm提供的第一个Sublinear时间算法。

资源限制的在线分配问题是收入管理和在线广告中的核心问题。在这些问题中，请求在有限的地平线期间顺序到达，对于每个请求，决策者需要选择消耗一定数量资源并生成奖励的动作。目标是最大限度地提高累计奖励，这是对资源总消费的限制。在本文中，我们考虑一种数据驱动的设置，其中使用决策者未知的输入模型生成每个请求的奖励和资源消耗。我们设计了一般的算法算法，可以在各种输入模型中实现良好的性能，而不知道它们面临的类型类型。特别是，我们的算法在独立和相同的分布式输入以及各种非静止随机输入模型下是渐近的最佳选择，并且当输入是对抗性时，它们达到渐近最佳的固定竞争比率。我们的算法在Lagrangian双色空间中运行：它们为使用在线镜像血管更新的每个资源维护双倍乘数。通过相应地选择参考功能，我们恢复双梯度下降和双乘法权重更新算法。与现有的在线分配问题的现有方法相比，所产生的算法简单，快速，不需要在收入函数，消费函数和动作空间中凸起。我们将应用程序讨论到网络收入管理，在线竞标，重复拍卖，预算限制，与高熵的在线比例匹配，以及具有有限库存的个性化分类优化。

We study the fundamental task of outlier-robust mean estimation for heavy-tailed distributions in the presence of sparsity. Specifically, given a small number of corrupted samples from a high-dimensional heavy-tailed distribution whose mean $\mu$ is guaranteed to be sparse, the goal is to efficiently compute a hypothesis that accurately approximates $\mu$ with high probability. Prior work had obtained efficient algorithms for robust sparse mean estimation of light-tailed distributions. In this work, we give the first sample-efficient and polynomial-time robust sparse mean estimator for heavy-tailed distributions under mild moment assumptions. Our algorithm achieves the optimal asymptotic error using a number of samples scaling logarithmically with the ambient dimension. Importantly, the sample complexity of our method is optimal as a function of the failure probability $\tau$, having an additive $\log(1/\tau)$ dependence. Our algorithm leverages the stability-based approach from the algorithmic robust statistics literature, with crucial (and necessary) adaptations required in our setting. Our analysis may be of independent interest, involving the delicate design of a (non-spectral) decomposition for positive semi-definite matrices satisfying certain sparsity properties.

在机器学习中最大化的是一项基本任务，在本文中，我们研究了经典的Matroid约束下的删除功能强大版本。在这里，目标是提取数据集的小尺寸摘要，即使在对手删除了一些元素之后，该数据集包含高价值独立集。我们提出了恒定因素近似算法，其空间复杂性取决于矩阵的等级$ k $和已删除元素的数字$ d $。在集中式设置中，我们提出$（4.597+o（\ varepsilon））$ - 近似算法，带有摘要大小$ o（\ frac {k+d} {\ varepsilon^2} \ log \ log \ frac \ frac {k} }）$将$（3.582 + o（\ varepsilon））$（k + \ frac {d} {\ varepsilon^2} \ log \ frac {k} {k} {\ varepsilon}） $摘要大小是单调的。在流设置中，我们提供$（9.435 + o（\ varepsilon））$ - 带有摘要大小和内存$ o的近似算法$（k + \ frac {d} {\ varepsilon^2} \ log \ log \ frac {k} {k} {k} {k} {k} {k} { \ varepsilon}）$;然后，将近似因子提高到单调盒中的$（5.582+o（\ varepsilon））$。

我们考虑带有背包的土匪（从此以后，BWK），这是一种在供应/预算限制下的多臂土匪的通用模型。特别是，强盗算法需要解决一个众所周知的背包问题：找到最佳的物品包装到有限尺寸的背包中。 BWK问题是众多激励示例的普遍概括，范围从动态定价到重复拍卖，再到动态AD分配，再到网络路由和调度。尽管BWK的先前工作集中在随机版本上，但我们开创了可以在对手身上选择结果的另一个极端。与随机版本和“经典”对抗土匪相比，这是一个更加困难的问题，因为遗憾的最小化不再可行。相反，目的是最大程度地减少竞争比率：基准奖励与算法奖励的比率。我们设计了一种具有竞争比O（log t）的算法，相对于动作的最佳固定分布，其中T是时间范围；我们还证明了一个匹配的下限。关键的概念贡献是对问题的随机版本的新观点。我们为随机版本提出了一种新的算法，该算法是基于重复游戏中遗憾最小化的框架，并且与先前的工作相比，它具有更简单的分析。然后，我们为对抗版本分析此算法，并将其用作求解后者的子例程。

给定数据点之间的一组差异测量值，确定哪种度量表示与输入测量最“一致”或最能捕获数据相关几何特征的度量是许多机器学习算法的关键步骤。现有方法仅限于特定类型的指标或小问题大小，因为在此类问题中有大量的度量约束。在本文中，我们提供了一种活跃的集合算法，即项目和忘记，该算法使用Bregman的预测，以解决许多（可能是指数）不平等约束的度量约束问题。我们提供了\ textsc {project and Hoses}的理论分析，并证明我们的算法会收敛到全局最佳解决方案，并以指数速率渐近地渐近地衰减了当前迭代的$ L_2 $距离。我们证明，使用我们的方法，我们可以解决三种类型的度量约束问题的大型问题实例：一般体重相关聚类，度量近距离和度量学习；在每种情况下，就CPU时间和问题尺寸而言，超越了艺术方法的表现。

本文提出了弗兰克 - 沃尔夫（FW）的新变种​​，称为$ k $ fw。标准FW遭受缓慢的收敛性：迭代通常是Zig-zag作为更新方向振荡约束集的极端点。新变种，$ k $ fw，通过在每次迭代中使用两个更强的子问题oracelles克服了这个问题。第一个是$ k $线性优化Oracle（$ k $ loo），计算$ k $最新的更新方向（而不是一个）。第二个是$ k $方向搜索（$ k $ ds），最大限度地减少由$ k $最新更新方向和之前迭代表示的约束组的目标。当问题解决方案承认稀疏表示时，奥克斯都易于计算，而且$ k $ FW会迅速收敛，以便平滑凸起目标和几个有趣的约束集：$ k $ fw实现有限$ \ frac {4l_f ^ 3d ^} { \ Gamma \ Delta ^ 2} $融合在多台和集团规范球上，以及光谱和核规范球上的线性收敛。数值实验验证了$ k $ fw的有效性，并展示了现有方法的数量级加速。

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.

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.

我们研究动态算法，以便在$ N $插入和删除流中最大化单调子模块功能的问题。我们显示任何维护$（0.5+ epsilon）$ - 在基数约束下的近似解决方案的算法，对于任何常数$ \ epsilon> 0 $，必须具有$ \ mathit {polynomial} $的摊销查询复杂性$ n $。此外，需要线性摊销查询复杂性，以维持0.584美元 - 批量的解决方案。这与近期[LMNF + 20，MON20]的最近动态算法相比，达到$（0.5- \ epsilon）$ - 近似值，与$ \ mathsf {poly} \ log（n）$摊销查询复杂性。在正面，当流是仅插入的时候，我们在基数约束下的问题和近似的Matroid约束下提供有效的算法，近似保证$ 1-1 / e-\ epsilon $和摊销查询复杂性$ \ smash {o （\ log（k / \ epsilon）/ \ epsilon ^ 2）} $和$ \ smash {k ^ {\ tilde {o}（1 / \ epsilon ^ 2）} \ log n} $，其中$ k $表示基数参数或Matroid的等级。

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。

K-MEDIAN和K-MEACE是聚类算法的两个最受欢迎的目标。尽管有密集的努力，但对这些目标的近似性很好地了解，特别是在$ \ ell_p $ -metrics中，仍然是一个重大的开放问题。在本文中，我们在$ \ ell_p $ -metrics中显着提高了文献中已知的近似因素的硬度。我们介绍了一个名为Johnson覆盖假说（JCH）的新假设，这大致断言设定系统上的良好的Max K-Coverage问题难以近似于1-1 / e，即使是成员图形设置系统是Johnson图的子图。然后，我们展示了Cohen-Addad和Karthik引入的嵌入技术的概括（Focs'19），JCH意味着K-MEDIAN和K-MERION在$ \ ell_p $ -metrics中的近似结果的近似值的硬度为近距离对于一般指标获得的人。特别地，假设JCH我们表明很难近似K-Meator目标：$ \ Bullet $离散情况：$ \ ell_1 $ 3.94 - $ \ ell_2中的1.73因素为1.73倍$$ - 这分别在UGC下获得了1.56和1.17的先前因子。 $ \ bullet $持续案例：$ \ ell_1 $ 2210 - $ \ ell_2 $的$ \ ell_1 $ 210。$ \ ell_2 $-metric;这在UGC下获得的$ \ ell_2 $的$ \ ell_2 $的先前因子提高了1.07。对于K-Median目标，我们还获得了类似的改进。此外，我们使用Dinure等人的工作证明了JCH的弱版本。 （Sicomp'05）在超图顶点封面上，恢复Cohen-Addad和Karthik（Focs'19 Focs'19）上面的所有结果（近）相同的不可识别因素，但现在在标准的NP $ \ NEQ $ P假设下（代替UGC）。

在随着时间变化的组合环境中的在线决策激励，我们研究了将离线算法转换为其在线对应物的问题。我们专注于使用贪婪算法对局部错误的贪婪算法进行恒定因子近似的离线组合问题。对于此类问题，我们提供了一个通用框架，该框架可有效地将稳健的贪婪算法转换为使用Blackwell的易近算法。我们证明，在完整信息设置下，由此产生的在线算法具有$ O（\ sqrt {t}）$（近似）遗憾。我们进一步介绍了Blackwell易接近性的强盗扩展，我们称之为Bandit Blackwell的可接近性。我们利用这一概念将贪婪的稳健离线算法转变为匪（t^{2/3}）$（近似）$（近似）的遗憾。展示了我们框架的灵活性，我们将脱机之间的转换应用于收入管理，市场设计和在线优化的几个问题，包括在线平台中的产品排名优化，拍卖中的储备价格优化以及supperular tossodular最大化。 。我们还将还原扩展到连续优化的类似贪婪的一阶方法，例如用于最大化连续强的DR单调下调功能，这些功能受到凸约束的约束。我们表明，当应用于这些应用程序时，我们的转型会导致新的后悔界限或改善当前已知界限。我们通过为我们的两个应用进行数值模拟来补充我们的理论研究，在这两种应用中，我们都观察到，转换的数值性能在实际情况下优于理论保证。

探索未知环境是许多域中的基本任务，例如机器人导航，网络安全和互联网搜索。我们通过添加对机器学习的预测的访问来启动古典卓越的在线图探索问题的学习增强变体。我们提出了一种自然地将预测集成到众所周知的最近邻居（NN）算法中的算法，并且如果预测具有高精度，则在预测时保持良好的保证的情况下显着优于任何已知的在线算法。我们提供了理论上的最坏情况界，以预测误差优雅地降低，我们通过确认我们的结果的计算实验来补充它们。此外，我们将我们的概念扩展到稳定算法的一般框架。通过在给定的算法和NN之间仔细插值，我们证明了新的性能界限，这些界限在特定输入上利用各个良好的性能，同时建立了任意输入的鲁棒性。