Tensor decomposition serves as a powerful primitive in statistics and machine learning. In this paper, we focus on using power iteration to decompose an overcomplete random tensor. Past work studying the properties of tensor power iteration either requires a non-trivial data-independent initialization, or is restricted to the undercomplete regime. Moreover, several papers implicitly suggest that logarithmically many iterations (in terms of the input dimension) are sufficient for the power method to recover one of the tensor components. In this paper, we analyze the dynamics of tensor power iteration from random initialization in the overcomplete regime. Surprisingly, we show that polynomially many steps are necessary for convergence of tensor power iteration to any of the true component, which refutes the previous conjecture. On the other hand, our numerical experiments suggest that tensor power iteration successfully recovers tensor components for a broad range of parameters, despite that it takes at least polynomially many steps to converge. To further complement our empirical evidence, we prove that a popular objective function for tensor decomposition is strictly increasing along the power iteration path. Our proof is based on the Gaussian conditioning technique, which has been applied to analyze the approximate message passing (AMP) algorithm. The major ingredient of our argument is a conditioning lemma that allows us to generalize AMP-type analysis to non-proportional limit and polynomially many iterations of the power method.

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。

我们考虑估计与I.I.D的排名$ 1 $矩阵因素的问题。高斯，排名$ 1 $的测量值，这些测量值非线性转化和损坏。考虑到非线性的两种典型选择，我们研究了从随机初始化开始的此非convex优化问题的天然交流更新规则的收敛性能。我们通过得出确定性递归，即使在高维问题中也是准确的，我们显示出算法的样本分割版本的敏锐收敛保证。值得注意的是，虽然无限样本的种群更新是非信息性的，并提示单个步骤中的精确恢复，但算法 - 我们的确定性预测 - 从随机初始化中迅速地收敛。我们尖锐的非反应分析也暴露了此问题的其他几种细粒度，包括非线性和噪声水平如何影响收敛行为。从技术层面上讲，我们的结果可以通过证明我们的确定性递归可以通过我们的确定性顺序来预测我们的确定性序列，而当每次迭代都以$ n $观测来运行时，我们的确定性顺序可以通过$ n^{ - 1/2} $的波动。我们的技术利用了源自有关高维$ m $估计文献的遗留工具，并为通过随机数据的其他高维优化问题的随机初始化而彻底地分析了高阶迭代算法的途径。

在负面的感知问题中，我们给出了$ n $数据点$（{\ boldsymbol x} _i，y_i）$，其中$ {\ boldsymbol x} _i $是$ d $ -densional vector和$ y_i \ in \ { + 1，-1 \} $是二进制标签。数据不是线性可分离的，因此我们满足自己的内容，以找到最大的线性分类器，具有最大的\ emph {否定}余量。换句话说，我们想找到一个单位常规矢量$ {\ boldsymbol \ theta} $，最大化$ \ min_ {i \ le n} y_i \ langle {\ boldsymbol \ theta}，{\ boldsymbol x} _i \ rangle $ 。这是一个非凸优化问题（它相当于在Polytope中找到最大标准矢量），我们在两个随机模型下研究其典型属性。我们考虑比例渐近，其中$ n，d \ to \ idty $以$ n / d \ to \ delta $，并在最大边缘$ \ kappa _ {\ text {s}}（\ delta）上证明了上限和下限）$或 - 等效 - 在其逆函数$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$。换句话说，$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$是overparametization阈值：以$ n / d \ le \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa） - \ varepsilon $一个分类器实现了消失的训练错误，具有高概率，而以$ n / d \ ge \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）+ \ varepsilon $。我们在$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$匹配，以$ \ kappa \ to - \ idty $匹配。然后，我们分析了线性编程算法来查找解决方案，并表征相应的阈值$ \ delta _ {\ text {lin}}（\ kappa）$。我们观察插值阈值$ \ delta _ {\ text {s}}（\ kappa）$和线性编程阈值$ \ delta _ {\ text {lin {lin}}（\ kappa）$之间的差距，提出了行为的问题其他算法。

我们开发了第一个快速频谱算法，用于分解$ \ mathbb {r}^d $排名到$ o的随机三阶张量。我们的算法仅涉及简单的线性代数操作，并且可以在当前矩阵乘法时间下在时间$ o（d^{6.05}）$中恢复所有组件。在这项工作之前，只能通过方形的总和[MA，Shi，Steurer 2016]实现可比的保证。相反，快速算法[Hopkins，Schramm，Shi，Steurer 2016]只能分解排名最多的张量（D^{4/3}/\ text {polylog}（d））$。我们的算法结果取决于两种关键成分。将三阶张量的清洁提升到六阶张量，可以用张量网络的语言表示。将张量网络仔细分解为一系列矩形矩阵乘法，这使我们能够快速实现该算法。

成功的深度学习模型往往涉及培训具有比训练样本数量更多的参数的神经网络架构。近年来已经广泛研究了这种超分子化的模型，并且通过双下降现象和通过优化景观的结构特性，从统计的角度和计算视角都建立了过分统计化的优点。尽管在过上分层的制度中深入学习架构的显着成功，但也众所周知，这些模型对其投入中的小对抗扰动感到高度脆弱。即使在普遍培训的情况下，它们在扰动输入（鲁棒泛化）上的性能也会比良性输入（标准概括）的最佳可达到的性能更糟糕。因此，必须了解如何从根本上影响稳健性的情况下如何影响鲁棒性。在本文中，我们将通过专注于随机特征回归模型（具有随机第一层权重的两层神经网络）来提供超分度化对鲁棒性的作用的精确表征。我们考虑一个制度，其中样本量，输入维度和参数的数量彼此成比例地生长，并且当模型发生前列地训练时，可以为鲁棒泛化误差导出渐近精确的公式。我们的发达理论揭示了过分统计化对鲁棒性的非竞争效果，表明对于普遍训练的随机特征模型，高度公正化可能会损害鲁棒泛化。

Autoencoders are a popular model in many branches of machine learning and lossy data compression. However, their fundamental limits, the performance of gradient methods and the features learnt during optimization remain poorly understood, even in the two-layer setting. In fact, earlier work has considered either linear autoencoders or specific training regimes (leading to vanishing or diverging compression rates). Our paper addresses this gap by focusing on non-linear two-layer autoencoders trained in the challenging proportional regime in which the input dimension scales linearly with the size of the representation. Our results characterize the minimizers of the population risk, and show that such minimizers are achieved by gradient methods; their structure is also unveiled, thus leading to a concise description of the features obtained via training. For the special case of a sign activation function, our analysis establishes the fundamental limits for the lossy compression of Gaussian sources via (shallow) autoencoders. Finally, while the results are proved for Gaussian data, numerical simulations on standard datasets display the universality of the theoretical predictions.

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 $）。

The nonconvex formulation of matrix completion problem has received significant attention in recent years due to its affordable complexity compared to the convex formulation. Gradient descent (GD) is the simplest yet efficient baseline algorithm for solving nonconvex optimization problems. The success of GD has been witnessed in many different problems in both theory and practice when it is combined with random initialization. However, previous works on matrix completion require either careful initialization or regularizers to prove the convergence of GD. In this work, we study the rank-1 symmetric matrix completion and prove that GD converges to the ground truth when small random initialization is used. We show that in logarithmic amount of iterations, the trajectory enters the region where local convergence occurs. We provide an upper bound on the initialization size that is sufficient to guarantee the convergence and show that a larger initialization can be used as more samples are available. We observe that implicit regularization effect of GD plays a critical role in the analysis, and for the entire trajectory, it prevents each entry from becoming much larger than the others.

Motivated by the problem of matching vertices in two correlated Erd\H{o}s-R\'enyi graphs, we study the problem of matching two correlated Gaussian Wigner matrices. We propose an iterative matching algorithm, which succeeds in polynomial time as long as the correlation between the two Gaussian matrices does not vanish. Our result is the first polynomial time algorithm that solves a graph matching type of problem when the correlation is an arbitrarily small constant.

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 $r \sim n^{k/2}$.

本文研究了聚类基质值观测值的计算和统计限制。我们提出了一个低级别的混合模型（LRMM），该模型适用于经典的高斯混合模型（GMM）来处理基质值观测值，该观测值假设人口中心矩阵的低级别。通过集成Lloyd算法和低级近似值设计了一种计算有效的聚类方法。一旦定位良好，该算法将快速收敛并达到最小值最佳的指数型聚类错误率。同时，我们表明一种基于张量的光谱方法可提供良好的初始聚类。与GMM相当，最小值最佳聚类错误率是由分离强度（即种群中心矩阵之间的最小距离）决定的。通过利用低级度，提出的算法对分离强度的要求较弱。但是，与GMM不同，LRMM的统计难度和计算难度的特征是信号强度，即最小的人口中心矩阵的非零奇异值。提供了证据表明，即使信号强度不够强，即使分离强度很强，也没有多项式时间算法是一致的。在高斯以下噪声下进一步证明了我们低级劳埃德算法的性能。讨论了LRMM下估计和聚类之间的有趣差异。通过全面的仿真实验证实了低级劳埃德算法的优点。最后，我们的方法在现实世界数据集的文献中优于其他方法。

我们调查与高斯的混合的数据分享共同但未知，潜在虐待协方差矩阵的数据。我们首先考虑具有两个等级大小的组件的高斯混合，并根据最大似然估计导出最大切割整数程序。当样品的数量在维度下线性增长时，我们证明其解决方案实现了最佳的错误分类率，直到对数因子。但是，解决最大切割问题似乎是在计算上棘手的。为了克服这一点，我们开发了一种高效的频谱算法，该算法达到最佳速率，但需要一种二次样本量。虽然这种样本复杂性比最大切割问题更差，但我们猜测没有多项式方法可以更好地执行。此外，我们收集了支持统计计算差距存在的数值和理论证据。最后，我们将MAX-CUT程序概括为$ k $ -means程序，该程序处理多组分混合物的可能性不平等。它享有相似的最优性保证，用于满足运输成本不平等的分布式的混合物，包括高斯和强烈的对数的分布。

This work considers a computationally and statistically efficient parameter estimation method for a wide class of latent variable models-including Gaussian mixture models, hidden Markov models, and latent Dirichlet allocation-which exploits a certain tensor structure in their low-order observable moments (typically, of second-and third-order). Specifically, parameter estimation is reduced to the problem of extracting a certain (orthogonal) decomposition of a symmetric tensor derived from the moments; this decomposition can be viewed as a natural generalization of the singular value decomposition for matrices. Although tensor decompositions are generally intractable to compute, the decomposition of these specially structured tensors can be efficiently obtained by a variety of approaches, including power iterations and maximization approaches (similar to the case of matrices). A detailed analysis of a robust tensor power method is provided, establishing an analogue of Wedin's perturbation theorem for the singular vectors of matrices. This implies a robust and computationally tractable estimation approach for several popular latent variable models.

This paper shows that a perturbed form of gradient descent converges to a second-order stationary point in a number iterations which depends only poly-logarithmically on dimension (i.e., it is almost "dimension-free"). The convergence rate of this procedure matches the wellknown convergence rate of gradient descent to first-order stationary points, up to log factors. When all saddle points are non-degenerate, all second-order stationary points are local minima, and our result thus shows that perturbed gradient descent can escape saddle points almost for free.Our results can be directly applied to many machine learning applications, including deep learning. As a particular concrete example of such an application, we show that our results can be used directly to establish sharp global convergence rates for matrix factorization. Our results rely on a novel characterization of the geometry around saddle points, which may be of independent interest to the non-convex optimization community.

在本文中，我们利用过度参数化来设计高维单索索引模型的无规矩算法，并为诱导的隐式正则化现象提供理论保证。具体而言，我们研究了链路功能是非线性且未知的矢量和矩阵单索引模型，信号参数是稀疏向量或低秩对称矩阵，并且响应变量可以是重尾的。为了更好地理解隐含正规化的角色而没有过度的技术性，我们假设协变量的分布是先验的。对于载体和矩阵设置，我们通过采用分数函数变换和专为重尾数据的强大截断步骤来构造过度参数化最小二乘损耗功能。我们建议通过将无规则化的梯度下降应用于损耗函数来估计真实参数。当初始化接近原点并且步骤中足够小时，我们证明了所获得的解决方案在载体和矩阵案件中实现了最小的收敛统计速率。此外，我们的实验结果支持我们的理论调查结果，并表明我们的方法在$ \ ell_2 $ -staticatisticated率和变量选择一致性方面具有明确的正则化的经验卓越。

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。

我们研究了自然非凸形公式下的不对称矩阵分解问题，并具有任意的过多参数化。考虑了无模型设置，对观察到的矩阵的秩或单数值的假设最小，在该矩阵的秩或奇异值中，全局最优值证明过度拟合。我们表明，带有小随机初始化的香草梯度下降顺序恢复了观察到的矩阵的主要成分。因此，当配备适当的早期停止时，梯度下降会产生观察到的矩阵的最佳低级别近似，而无需显式正则化。我们提供了近似误差，迭代复杂性，初始化大小和步骤大小之间关系的尖锐表征。我们的复杂性界限几乎不含尺寸，并取决于对数近似误差，与先前的工作相比，对步骤和初始化的宽大要求明显更大。我们的理论结果为行为梯度下降提供了准确的预测，显示了与数值实验的良好一致性。

在现代统计学和机器学习中的许多问题中，人们通常是为了确定非凸风险功能上的一阶方法最终进入了风险是本地凸的参数空间区域。我们得出了渐近比较不平等，我们称之为Sudakov-Fernique后AMP不平等现象，在涉及GOE矩阵的某些类别的问题中，它能够探测优化景观的特性，该特性在近似消息传递的迭代范围内当地（AMP）算法。作为其使用的一个例子，我们提供了Selentano等人的某些结果的新的，可以说是简单的证明。 （2021），它确定$ \ mathbb {z} _2 $ -Synchronization问题中所谓的Tap自由能在其收敛到的区域中是本地凸。我们进一步证明了El Alaoui等人的猜想。 （2022）涉及相关但独特的自由能的局部凸度，结果证实了它们的算法有效地从Sherrington-Kirkpatrick Gibbs中进行了整个“ Easy”状态的测量。

神经切线内核（NTK）已成为提供记忆，优化和泛化的强大工具，可保证深度神经网络。一项工作已经研究了NTK频谱的两层和深网，其中至少具有$ \ omega（n）$神经元的层，$ n $是培训样本的数量。此外，有越来越多的证据表明，只要参数数量超过样品数量，具有亚线性层宽度的深网是强大的记忆和优化器。因此，一个自然的开放问题是NTK是否在如此充满挑战的子线性设置中适应得很好。在本文中，我们以肯定的方式回答了这个问题。我们的主要技术贡献是对最小的深网的最小NTK特征值的下限，最小可能的过度参数化：参数的数量大约为$ \ omega（n）$，因此，神经元的数量仅为$ $ $ \ omega（\ sqrt {n}）$。为了展示我们的NTK界限的适用性，我们为梯度下降训练提供了两个有关记忆能力和优化保证的结果。