我们为高维分布的身份测试提供了改进的差异私有算法。具体来说，对于带有已知协方差$ \ sigma $的$ d $二维高斯分布，我们可以测试该分布是否来自$ \ Mathcal {n}（\ mu^*，\ sigma）$，对于某些固定$ \ mu^** $或从某个$ \ MATHCAL {n}（\ mu，\ sigma）$，总变化距离至少$ \ alpha $ from $ \ mathcal {n}（\ mu^*，\ sigma）$（\ varepsilon） ，0）$ - 微分隐私，仅使用\ [\ tilde {o} \ left（\ frac {d^{1/2}}} {\ alpha^2} + \ frac {d^{1/3}} {1/3}} { \ alpha^{4/3} \ cdot \ varepsilon^{2/3}}} + \ frac {1} {\ alpha \ cdot \ cdot \ cdot \ varepsilon} \ right）\]唯一\ [\ tilde {o} \ left（\ frac {d^{1/2}}} {\ alpha^2} + \ frac {d^{1/4}} {\ alpha \ alpha \ cdot \ cdot \ cdot \ varepsilon} \ right ）\]用于计算有效算法的样品。我们还提供了一个匹配的下限，表明我们的计算效率低下的算法具有最佳的样品复杂性。我们还将算法扩展到各种相关问题，包括对具有有限但未知协方差的高斯人的平均测试，对$ \ { - 1，1，1 \}^d $的产品分布的均匀性测试以及耐受性测试。我们的结果改善了Canonne等人的先前最佳工作。 （\ frac {\ sqrt {d}} {\ alpha^2} \ right）$在许多标准参数设置中。此外，我们的结果表明，令人惊讶的是，可以使用$ d $二维高斯的私人身份测试，可以用少于离散分布的私人身份测试尺寸$ d $ \ cite {actharyasz18}的私人身份测试来完成，以重组猜测〜\ cite {canonnekmuz20}的下限。

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.

在这项工作中，我们在用户级差异隐私下研究高维平均值估计，并设计$（\ varepsilon，\ delta）$ - 使用尽可能少的用户差异化私人机制。特别是，即使用户数量低至$ o（\ frac {1} {\ varepsilon } \ log \ frac {1} {\ delta}）$。有趣的是，这对\ emph {users}的数量绑定到独立于维度（尽管\ emph {samples aper users}的数量被允许以多项式依赖于尺寸），这与先前需要用户数量的工作数量不同。在多项式上依赖于维度。这解决了Amin等人首先提出的问题。此外，我们的机制可抵抗高达$ 49 \％用户的损坏。最后，我们的结果还适用于与少数用户私下学习离散分布的最佳算法，回答Liu等人的问题，以及更广泛的问题，例如随机凸优化和通过差异化的随机梯度优化和随机梯度下降的变体私人平均估计。

我们为其非私人对准减少$（\ varepsilon，\ delta）$差异私人（dp）统计估计，提供了一个相当一般的框架。作为本框架的主要应用，我们提供多项式时间和$（\ varepsilon，\ delta）$ - DP算法用于学习（不受限制的）高斯分布在$ \ mathbb {r} ^ d $。我们学习高斯的方法的样本复杂度高斯距离总变化距离$ \ alpha $是$ \ widetilde {o} \ left（\ frac {d ^ 2} {\ alpha ^ 2} + \ frac {d ^ 2 \ sqrt {\ ln {1 / \ delta}} {\ alpha \ varepsilon} \右）$，匹配（最多为对数因子）最佳已知的信息理论（非高效）样本复杂性上限的aden-ali， Ashtiani，Kamath〜（alt'21）。在一个独立的工作中，Kamath，Mouzakis，Singhal，Steinke和Ullman〜（Arxiv：2111.04609）使用不同的方法证明了类似的结果，并以$ O（d ^ {5/2}）$样本复杂性依赖于$ d $ 。作为我们的框架的另一个应用，我们提供了第一次多项式时间$（\ varepsilon，\ delta）$-dp算法，用于鲁棒学习（不受限制的）高斯。

我们介绍了一个普遍的框架，用于表征差异隐私保证的统计估算问题的统计效率。我们的框架，我们呼叫高维建议 - 试验释放（HPTR），在三个重要组件上建立：指数机制，强大的统计和提议 - 试验释放机制。将所有这些粘在一起是恢复力的概念，这是强大的统计估计的核心。弹性指导算法的设计，灵敏度分析和试验步骤的成功概率分析。关键识别是，如果我们设计了一种仅通过一维鲁棒统计数据访问数据的指数机制，则可以大大减少所产生的本地灵敏度。使用弹性，我们可以提供紧密的本地敏感界限。这些紧张界限在几个案例中容易转化为近乎最佳的实用程序。我们给出了将HPTR应用于统计估计问题的给定实例的一般配方，并在平均估计，线性回归，协方差估计和主成分分析的规范问题上证明了它。我们介绍了一般的公用事业分析技术，证明了HPTR几乎在文献中研究的若干场景下实现了最佳的样本复杂性。

In this work, we give efficient algorithms for privately estimating a Gaussian distribution in both pure and approximate differential privacy (DP) models with optimal dependence on the dimension in the sample complexity. In the pure DP setting, we give an efficient algorithm that estimates an unknown $d$-dimensional Gaussian distribution up to an arbitrary tiny total variation error using $\widetilde{O}(d^2 \log \kappa)$ samples while tolerating a constant fraction of adversarial outliers. Here, $\kappa$ is the condition number of the target covariance matrix. The sample bound matches best non-private estimators in the dependence on the dimension (up to a polylogarithmic factor). We prove a new lower bound on differentially private covariance estimation to show that the dependence on the condition number $\kappa$ in the above sample bound is also tight. Prior to our work, only identifiability results (yielding inefficient super-polynomial time algorithms) were known for the problem. In the approximate DP setting, we give an efficient algorithm to estimate an unknown Gaussian distribution up to an arbitrarily tiny total variation error using $\widetilde{O}(d^2)$ samples while tolerating a constant fraction of adversarial outliers. Prior to our work, all efficient approximate DP algorithms incurred a super-quadratic sample cost or were not outlier-robust. For the special case of mean estimation, our algorithm achieves the optimal sample complexity of $\widetilde O(d)$, improving on a $\widetilde O(d^{1.5})$ bound from prior work. Our pure DP algorithm relies on a recursive private preconditioning subroutine that utilizes the recent work on private mean estimation [Hopkins et al., 2022]. Our approximate DP algorithms are based on a substantial upgrade of the method of stabilizing convex relaxations introduced in [Kothari et al., 2022].

我们给出了第一个多项式算法来估计$ d $ -variate概率分布的平均值，从$ \ tilde {o}（d）$独立的样本受到纯粹的差异隐私的界限。此问题的现有算法无论是呈指数运行时间，需要$ \ OMEGA（D ^ {1.5}）$样本，或仅满足较弱的集中或近似差分隐私条件。特别地，所有先前的多项式算法都需要$ d ^ {1+ \ omega（1）} $ samples，以保证“加密”高概率，1-2 ^ { - d ^ {\ omega（1） $，虽然我们的算法保留$ \ tilde {o}（d）$ SAMPS复杂性即使在此严格设置中也是如此。我们的主要技术是使用强大的方块方法（SOS）来设计差异私有算法的新方法。算法的证据是在高维算法统计数据中的许多近期作品中的一个关键主题 - 显然需要指数运行时间，但可以通过低度方块证明可以捕获其分析可以自动变成多项式 - 时间算法具有相同的可证明担保。我们展示了私有算法的类似证据现象：工作型指数机制的实例显然需要指数时间，但可以用低度SOS样张分析的指数时间，可以自动转换为多项式差异私有算法。我们证明了捕获这种现象的元定理，我们希望在私人算法设计中广泛使用。我们的技术还在高维度之间绘制了差异私有和强大统计数据之间的新连接。特别是通过我们的校验算法镜头来看，几次研究的SOS证明在近期作品中的算法稳健统计中直接产生了我们差异私有平均估计算法的关键组成部分。

我们启动差异私有（DP）估计的研究，并访问少量公共数据。为了对D维高斯人进行私人估计，我们假设公共数据来自高斯人，该高斯与私人数据的基础高斯人的总变化距离可能消失了。我们表明，在纯或集中DP的约束下，D+1个公共数据样本足以从私人样本复杂性中删除对私人数据分布的范围参数的任何依赖性，而在没有公共数据的情况下，这是必不可少的。对于分离的高斯混合物，我们假设基本的公共和私人分布是相同的，我们考虑两个设置：（1）当给出独立于维度的公共数据时，可以根据多种方式改善私人样本复杂性混合组件的数量以及对分布范围参数的任何依赖性都可以在近似DP情况下去除； （2）当在维度上给出了一定数量的公共数据线性时，即使在集中的DP下，也可以独立于范围参数使私有样本复杂性使得可以对整体样本复杂性进行其他改进。

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。

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.

鉴于$ n $ i.i.d.从未知的分发$ P $绘制的样本，何时可以生成更大的$ n + m $ samples，这些标题不能与$ n + m $ i.i.d区别区别。从$ p $绘制的样品？（AXELROD等人2019）将该问题正式化为样本放大问题，并为离散分布和高斯位置模型提供了最佳放大程序。然而，这些程序和相关的下限定制到特定分布类，对样本扩增的一般统计理解仍然很大程度上。在这项工作中，我们通过推出通常适用的放大程序，下限技术和与现有统计概念的联系来放置对公司统计基础的样本放大问题。我们的技术适用于一大类分布，包括指数家庭，并在样本放大和分配学习之间建立严格的联系。

We establish a simple connection between robust and differentially-private algorithms: private mechanisms which perform well with very high probability are automatically robust in the sense that they retain accuracy even if a constant fraction of the samples they receive are adversarially corrupted. Since optimal mechanisms typically achieve these high success probabilities, our results imply that optimal private mechanisms for many basic statistics problems are robust. We investigate the consequences of this observation for both algorithms and computational complexity across different statistical problems. Assuming the Brennan-Bresler secret-leakage planted clique conjecture, we demonstrate a fundamental tradeoff between computational efficiency, privacy leakage, and success probability for sparse mean estimation. Private algorithms which match this tradeoff are not yet known -- we achieve that (up to polylogarithmic factors) in a polynomially-large range of parameters via the Sum-of-Squares method. To establish an information-computation gap for private sparse mean estimation, we also design new (exponential-time) mechanisms using fewer samples than efficient algorithms must use. Finally, we give evidence for privacy-induced information-computation gaps for several other statistics and learning problems, including PAC learning parity functions and estimation of the mean of a multivariate Gaussian.

我们给出了第一个多项式 - 时间，多项式 - 样本，差异私人估算器，用于任意高斯分发$ \ mathcal {n}（\ mu，\ sigma）$ in $ \ mathbb {r} ^ d $。所有以前的估算器都是非变性的，具有无限的运行时间，或者要求用户在参数$ \ mu $和$ \ sigma $上指定先验的绑定。我们算法中的主要新技术工具是一个新的差别私有预处理器，它从任意高斯$ \ mathcal {n}（0，\ sigma）$中采用样本，并返回矩阵$ a $，使得$ a \ sigma a ^ t$具有恒定的条件号。

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。

我们提出并分析了算法，以解决用户级差分隐私约束下的一系列学习任务。用户级DP仅保证只保证个人样本的隐私，而是保护用户的整个贡献（$ M \ GE 1 $ Samples），而不是对信息泄漏提供更严格但更现实的保护。我们表明，对于高维平均估计，具有平稳损失，随机凸优化和学习假设类别的经验风险最小化，具有有限度量熵，隐私成本随着用户提供的$ O（1 / \ SQRT {M}）$减少更多样本。相比之下，在增加用户数量$ N $时，隐私成本以较快的价格降低（1 / n）$率。我们将这些结果与下界相提并论，显示了我们算法的最低限度估计和随机凸优化的算法。我们的算法依赖于私有平均估计的新颖技术，其任意维度与误差缩放为浓度半径$ \ tai $的分布而不是整个范围。

我们显示出与错误（LWE）问题的经典学习之间的直接和概念上的简单减少，其连续类似物（Bruna，Regev，Song and Tang，STOC 2021）。这使我们能够将基于LWE的密码学的强大机械带到Clwe的应用中。例如，我们在GAP最短矢量问题的经典最坏情况下获得了Clwe的硬度。以前，这仅在晶格问题的量子最坏情况下才知道。更广泛地说，随着我们在两个问题之间的减少，LWE的未来发展也将适用于CLWE及其下游应用程序。作为一种具体的应用，我们显示了高斯混合物密度估计的硬度结果改善。在此计算问题中，给定样品访问高斯人的混合物，目标是输出估计混合物密度函数的函数。在经典LWE问题的（合理且被广泛相信的）指数硬度下，我们表明高斯混合物密度估计$ \ Mathbb {r}^n $，大约$ \ log n $ gaussian组件给定$ \ mathsf {poly}（poly}（poly}（poly}）） n）$样品需要$ n $的时间准分线性。在LWE的（保守）多项式硬度下，我们显示出$ n^{\ epsilon} $高斯的密度估计，对于任何常数$ \ epsilon> 0 $，它可以改善Bruna，Regev，Song和Tang（Stoc 2021） ，在多项式（量子）硬度假设下，他们至少以$ \ sqrt {n} $高斯的表现表现出硬度。我们的关键技术工具是从古典LWE到LWE的缩短，并使用$ k $ -sparse Secrets，其中噪声的乘法增加仅为$ o（\ sqrt {k}）$，与环境尺寸$ n $无关。

Concentrated differential privacy" was recently introduced by Dwork and Rothblum as a relaxation of differential privacy, which permits sharper analyses of many privacy-preserving computations. We present an alternative formulation of the concept of concentrated differential privacy in terms of the Rényi divergence between the distributions obtained by running an algorithm on neighboring inputs. With this reformulation in hand, we prove sharper quantitative results, establish lower bounds, and raise a few new questions. We also unify this approach with approximate differential privacy by giving an appropriate definition of "approximate concentrated differential privacy."

我们介绍了一种基于约翰逊·林登斯特劳斯引理的统计查询的新方法，以释放具有差异隐私的统计查询的答案。关键的想法是随机投影查询答案，以较低的维空间，以便将可行的查询答案的任何两个向量之间的距离保留到添加性错误。然后，我们使用简单的噪声机制回答投影的查询，并将答案提升到原始维度。使用这种方法，我们首次给出了纯粹的私人机制，具有最佳情况下的最佳情况样本复杂性，在平均错误下，以回答$ n $ $ n $的宇宙的$ k $ Queries的工作量。作为其他应用，我们给出了具有最佳样品复杂性的第一个纯私人有效机制，用于计算有限的高维分布的协方差，并用于回答2向边缘查询。我们还表明，直到对错误的依赖性，我们机制的变体对于每个给定的查询工作负载几乎是最佳的。