在随机子集总和问题中，给定$ n $ i.i.d.随机变量$ x_1，...，x_n $，我们希望将[-1,1] $ in [-1,1] $的任何点$ z \作为合适子集的总和$ x_ {i_1（z）}，...，x_ {i_s（z）} $的$，最多$ \ varepsilon $。尽管有简单的陈述，但这个问题还是理论计算机科学和统计力学的基本兴趣。最近，它因其在人工神经网络理论中的影响而引起了人们的重新关注。该问题的一个明显的多维概括是考虑$ n $ i.i.d. \ $ d $ - 二维随机向量，目的是近似于[-1,1]^d $的每个点$ \ Mathbf {z} \。令人惊讶的是，在Lueker的1998年证明，在一维设置中，$ n = o（\ log \ frac 1 \ varepsilon）$ samples $ samples $ samples具有很高可能性的近似属性，在实现上述概括方面几乎没有进展。在这项工作中，我们证明，在$ d $ dimensions中，$ n = o（d^3 \ log \ frac 1 \ varepsilon \ cdot（\ log \ frac 1 \ frac 1 \ varepsilon + log d d））$ samples $ sample近似属性具有很高的概率。作为强调该结果潜在兴趣的应用程序，我们证明了最近提出的神经网络模型表现出\ emph {通用}：具有很高的概率，该模型可以在参数数量中近似多项式开销中的任何神经网络。

深度分离结果提出了对深度神经网络过较浅的架构的好处的理论解释，建立前者具有卓越的近似能力。然而，没有已知的结果，其中更深的架构利用这种优势成为可提供的优化保证。我们证明，当数据由具有满足某些温和假设的径向对称的分布产生的数据时，梯度下降可以使用具有两层S形激活的深度2神经网络有效地学习球指示器功能，并且隐藏层固定在一起训练。由于众所周知，当使用用单层非线性的深度2网络（Safran和Shamir，2017）使用深度2网络时，球指示器难以近似于一定的重型分配，这建立了我们最好的知识，基于第一优化的分离结果，其中近似架构的近似效益在实践中可怕的。我们的证明技术依赖于随机特征方法，该方法减少了用单个神经元学习的问题，其中新工具需要在数据分布重尾时显示梯度下降的收敛。

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。

我们建立了最佳的统计查询（SQ）下限，以鲁棒地学习某些离散高维分布的家庭。特别是，我们表明，没有访问$ \ epsilon $ -Cruntupted二进制产品分布的有效SQ算法可以在$ \ ell_2 $ -error $ o（\ epsilon \ sqrt {\ log（\ log（1/\ epsilon））内学习其平均值}）$。同样，我们表明，没有访问$ \ epsilon $ - 腐败的铁磁高温岛模型的有效SQ算法可以学习到总变量距离$ O（\ Epsilon \ log（1/\ Epsilon））$。我们的SQ下限符合这些问题已知算法的错误保证，提供证据表明这些任务的当前上限是最好的。在技​​术层面上，我们为离散的高维分布开发了一个通用的SQ下限，从低维矩匹配构建体开始，我们认为这将找到其他应用程序。此外，我们介绍了新的想法，以分析这些矩匹配的结构，以进行离散的单变量分布。

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。

训练神经网络的一种常见方法是将所有权重初始化为独立的高斯向量。我们观察到，通过将权重初始化为独立对，每对由两个相同的高斯向量组成，我们可以显着改善收敛分析。虽然已经研究了类似的技术来进行随机输入[Daniely，Neurips 2020]，但尚未使用任意输入进行分析。使用此技术，我们展示了如何显着减少两层relu网络所需的神经元数量，均在逻辑损失的参数化设置不足的情况下，大约$ \ gamma^{ - 8} $ [Ji and telgarsky，ICLR， 2020]至$ \ gamma^{ - 2} $，其中$ \ gamma $表示带有神经切线内核的分离边距，以及在与平方损失的过度参数化设置中，从大约$ n^4 $ [song [song]和Yang，2019年]至$ n^2 $，隐含地改善了[Brand，Peng，Song和Weinstein，ITCS 2021]的近期运行时间。对于参数不足的设置，我们还证明了在先前工作时改善的新下限，并且在某些假设下是最好的。

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。

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。

We study the following independence testing problem: given access to samples from a distribution $P$ over $\{0,1\}^n$, decide whether $P$ is a product distribution or whether it is $\varepsilon$-far in total variation distance from any product distribution. For arbitrary distributions, this problem requires $\exp(n)$ samples. We show in this work that if $P$ has a sparse structure, then in fact only linearly many samples are required. Specifically, if $P$ is Markov with respect to a Bayesian network whose underlying DAG has in-degree bounded by $d$, then $\tilde{\Theta}(2^{d/2}\cdot n/\varepsilon^2)$ samples are necessary and sufficient for independence testing.

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。

众所周知，进食前馈神经网络的学习速度很慢，并且在深度学习应用中呈现了几十年的瓶颈。例如，广泛用于训练神经网络的基于梯度的学习算法在所有网络参数都必须迭代调整时往往会缓慢起作用。为了解决这个问题，研究人员和从业人员都尝试引入随机性来减少学习要求。基于Igelnik和Pao的原始结构，具有随机输入层的重量和偏见的单层神经网络在实践中取得了成功，但是缺乏必要的理论理由。在本文中，我们开始填补这一理论差距。我们提供了一个（校正的）严格证明，即Igelnik和PAO结构是连续函数在紧凑型域上连续函数的通用近似值，并且近似错误渐近地衰减，例如$ o（1/\ sqrt {n}）网络节点。然后，我们将此结果扩展到非反应设置，证明人们可以在$ n $的情况下实现任何理想的近似误差，而概率很大。我们进一步调整了这种随机神经网络结构，以近似欧几里得空间的平滑，紧凑的亚曼叶量的功能，从而在渐近和非催化形式的理论保证中提供了理论保证。最后，我们通过数值实验说明了我们在歧管上的结果。

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。

算法高斯化是一种现象，当使用随机素描或采样方法生成较小的大数据集的较小表示时，可能会出现的现象：对于某些任务，已经观察到这些草图表示表现出许多可靠的性能特征，这些性能是在数据样本中出现的，这些性能来自次高斯随机设计，是一个强大的数据分布统计模型。但是，这种现象仅研究了特定的任务和指标，或依靠计算昂贵的方法。我们通过为平均值提供用于高斯数据分布的算法框架来解决这一问题，并证明可以有效构建几乎无法区分的数据草图（与亚高斯随机设计有关的总变化距离）。特别是，依靠最近引入的素描技术称为杠杆得分稀疏（少）嵌入，我们表明一个人可以构造$ n \ times d $矩阵$ a $的$ n \ times d $ sketch of $ n \ times d $ n \ ll n $，几乎与次高斯设计几乎没有区别$ a $中的非零条目的数量。结果，可以直接适用于我们的草图框架，可直接适用于我们的草图框架。我们通过对草图最小二乘正方形的新近似保证进行了说明。

我们使用对单个的，相同的$ d $维状态的相同副本进行的测量来研究量子断层扫描和阴影断层扫描的问题。我们首先因Haah等人而重新审视已知的下限。 （2017年）在痕量距离上具有准确性$ \ epsilon $的量子断层扫描，当测量选择与先前观察到的结果无关（即它们是非适应性的）时。我们简要地证明了这一结果。当学习者使用具有恒定结果数量的测量值时，这会导致更强的下限。特别是，这严格确定了民间传说的最佳性``Pauli phymography''算法的样本复杂性。我们还得出了$ \ omega（r^2 d/\ epsilon^2）$和$ \ omega（r^2 d/\ epsilon^2）的新颖界限（ R^2 d^2/\ epsilon^2）$用于学习排名$ r $状态，分别使用任意和恒定的结果测量，在非适应性情况下。除了样本复杂性，对于学习量子的实际意义，是一种实际意义的资源状态是算法使用的不同测量值的数量。我们将下限扩展到学习者从固定的$ \ exp（o（d））$测量的情况下进行自适应测量的情况。这特别意味着适应性。没有使用可有效实现的单拷贝测量结果给我们任何优势。在目标是预测给定的可观察到给定序列的期望值的情况下，我们还获得了类似的界限，该任务被称为阴影层析成像。在适应性的情况下单拷贝测量可通过多项式大小的电路实现，我们证明了基于计算给定可观察物的样本平均值的直接策略是最佳的。

我们研究了Massart噪声的PAC学习半圆的问题。给定标记的样本$（x，y）$从$ \ mathbb {r} ^ {d} ^ {d} \ times \ times \ {\ pm 1 \} $，这样的例子是任意的和标签$ y $ y $ y $ x $是由按萨塔特对手损坏的目标半空间与翻转概率$ \ eta（x）\ leq \ eta \ leq 1/2 $，目标是用小小的假设计算假设错误分类错误。这个问题的最佳已知$ \ mathrm {poly}（d，1 / \ epsilon）$时间算法实现$ \ eta + \ epsilon $的错误，这可能远离$ \ mathrm {opt} +的最佳界限\ epsilon $，$ \ mathrm {opt} = \ mathbf {e} _ {x \ sim d_x} [\ eta（x）] $。虽然已知实现$ \ mathrm {opt} + O（1）$误差需要超级多项式时间在统计查询模型中，但是在已知的上限和下限之间存在大的间隙。在这项工作中，我们基本上表征了统计查询（SQ）模型中Massart HalfSpaces的有效可读性。具体来说，我们表明，在$ \ mathbb {r} ^ d $中没有高效的sq算法用于学习massart halfpaces ^ d $可以比$ \ omega（\ eta）$更好地实现错误，即使$ \ mathrm {opt} = 2 ^ { - - \ log ^ {c}（d）$，适用于任何通用常量$ c \ in（0,1）$。此外，当噪声上限$ \ eta $接近$ 1/2 $时，我们的错误下限变为$ \ eta - o _ {\ eta}（1）$，其中$ o _ {\ eta}（1）$当$ \ eta $接近$ 1/2 $时，术语达到0美元。我们的结果提供了强有力的证据表明，大规模半空间的已知学习算法几乎是最可能的，从而解决学习理论中的长期开放问题。

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）。

我们考虑对称二进制Perceptron模型，这是一个简单的神经网络模型，在统计物理学，信息理论和概率理论社区中具有重大关注，最近的连接对Baldassi等人的学习算法进行了性能。 '15。我们确定该模型的分区功能，由其预期值归一化，会聚到Lognormal分布。因此，这允许我们为此模型建立几个猜想：（i）证明Aubin等人的默默是普及猜想。 '19在满足政权中的种植和漂白模型之间; （ii）它建立了尖锐的阈值猜想; （iii）证明了对称案例中的冷冻1-RSB猜想，首先在非对称情况下首先召集了Krauth-M \'Ezard'89。在最近的Perkins-XU '21的工作中，还通过证明分区功能集中在实际值函数上的分析假设下，还建立了最后两个猜想。左侧打开默认的猜想和逻辑正常限制表征，这些表征在此无条件地建立，具有验证的分析假设。特别是，我们的证明技术依赖于小型曲调调节方法的密集对抗部分，该方法是为罗宾逊和Wormald庆典工作中的稀疏模型而开发的。

我们对解决几个自然学习问题的一通流算法所需的记忆量给出了下限。在$ \ {0,1 \}^d $中的示例的环境中，可以使用$ \ kappa $ bits对最佳分类器进行编码，我们表明，使用近距离数量的示例学习的算法，$ \ tilde o（\ kappa）$，必须使用$ \ tilde \ omega（d \ kappa）$空间。我们的空间界限与问题自然参数化的环境空间的维度相匹配，即使在示例和最终分类器的大小上是二次的。例如，在$ d $ -sparse线性分类器的设置中，$ \ kappa = \ theta（d \ log d）$，我们的空间下限是$ \ tilde \ omega（d^^^ 2）$。我们的边界与流长$ n $优雅地降级，通常具有$ \ tilde \ omega \ left（d \ kappa \ cdot \ frac \ frac {\ kappa} {n} {n} \ right）$。 $ \ omega（d \ kappa）$的形式的界限以学习奇偶校验和有限字段定义的其他问题而闻名。在狭窄的样本量范围内适用的边界也以线性回归而闻名。对于最近学习应用程序中常见的类型的问题，我们的第一个范围是适用于各种输入尺寸的问题。

压缩传感一直是依赖线性操作的非常成功的高维信号采集和恢复技术。但是，在存储或处理之前，必须对信号的实际测量进行量化。 1（一个） - 位压缩传感是压缩传感的大量量化版本，在其中，信号的每个线性测量都降低到一个位：测量的符号。一旦收集了足够的测量结果，1位压缩感应中的恢复问题旨在以尽可能准确的方式找到原始信号。恢复问题与学习理论中传统的“半空间学习”问题有关。为了恢复稀疏矢量，从1位测量值中的流行重建方法是二元迭代硬阈值（BIHT）算法。该算法是一种简单的投影次级下降法，尽管该问题的概念性不佳，但已知在经验上均能很好地收敛。 BIHT的收敛性属性在理论上没有合理的理由，除了大量的测量值（即，许多大于$ \ max \ {k^{10}，24^{48}，k^{3.5}/ k^{3.5}/ \ epsilon \} $，其中$ k $是稀疏性，$ \ epsilon $表示近似错误，甚至该表达式隐藏了其他因素）。在本文中，我们表明，BIHT算法仅通过$ \ tilde {o}收敛（\ frac {k} {\ epsilon}）$测量。请注意，这种依赖性对$ k $和$ \ epsilon $对于1位压缩传感中的任何恢复方法都是最佳的。据我们所知，BIHT是唯一需要所有参数（$ K $和$ \ epsilon $）中最佳测量值的实用和高效（多项式时间）算法。这也是在适当的结构条件下，梯度下降算法转化为非凸问题的正确解决方案的示例。