本文研究了人工神经网络（NNS）与整流线性单元的表现力。为了将它们作为实际计算的模型，我们介绍了最大仿射算术计划的概念，并显示了它们与NNS之间的等效性有关自然复杂度措施。然后我们使用此结果表明，使用多项式NNS可以解决两个基本组合优化问题，这相当于非常特殊的强多项式时间算法。首先，我们显示，对于带有N $节点的任何无向图形，有一个NN大小$ \ Mathcal {O}（n ^ 3）$，它将边缘权重用为输入，计算最小生成树的值图表。其次，我们显示，对于任何带有$ N $节点和$ M $弧的任何定向图，都有一个尺寸$ \ mathcal {o}（m ^ 2n ^ 2）$，它将电弧容量作为输入和计算最大流量。这些结果尤其尤其暗示，相应的参数优化问题的解决方案可以在多项式空间中编码所有边缘权重或电弧容量的方法，并在多项式时间中进行评估，并且由NN提供这种编码。

我们有助于更好地理解由具有Relu激活和给定架构的神经网络表示的功能。使用来自混合整数优化，多面体理论和热带几何的技术，我们为普遍近似定理提供了数学逆向，这表明单个隐藏层足以用于学习任务。特别是，我们调查完全可增值功能是否完全可以通过添加更多层（没有限制大小）来严格增加。由于它为神经假设类别代表的函数类提供给算法和统计方面，这个问题对算法和统计方面具有潜在的影响。然而，据我们所知，这个问题尚未在神经网络文学中调查。我们还在这些神经假设类别中代表功能所需的神经网络的大小上存在上限。

单调功能和数据集在各种应用中都会出现。我们研究单调数据集的插值问题：输入是带有$ n $点的单调数据集，目标是找到一个大小和深度有效的单调神经网络，具有非负参数和阈值单元，可以插入数据放。我们表明，单调数据集无法通过深度$ 2 $的单调网络插值。另一方面，我们证明，对于每个单调数据集，在$ \ mathbb {r}^d $中$ n $点，存在一个插值的单调网络，该网络的深度为$ 4 $ $ 4 $和size $ o（nd）$。我们的插值结果意味着，每个单调功能超过$ [0,1]^d $可以通过DEPTH-4单调网络任意地近似，从而改善了先前最著名的深度构建$ d+1 $。最后，基于布尔电路复杂性的结果，我们表明，当近似单调函数时，具有正参数的电感偏差会导致神经元数量的超顺式爆炸。

我们考虑从数据学习树结构ising模型的问题，使得使用模型计算的后续预测是准确的。具体而言，我们的目标是学习一个模型，使得小组变量$ S $的后海报$ p（x_i | x_s）$。自推出超过50年以来，有效计算最大似然树的Chow-Liu算法一直是学习树结构图形模型的基准算法。 [BK19]示出了关于以预测的局部总变化损耗的CHOW-LIU算法的样本复杂性的界限。虽然这些结果表明，即使在恢复真正的基础图中也可以学习有用的模型是不可能的，它们的绑定取决于相互作用的最大强度，因此不会达到信息理论的最佳选择。在本文中，我们介绍了一种新的算法，仔细结合了Chow-Liu算法的元素，以便在预测的损失下有效地和最佳地学习树ising模型。我们的算法对模型拼写和对抗损坏具有鲁棒性。相比之下，我们表明庆祝的Chow-Liu算法可以任意次优。

We consider the algorithmic problem of finding the optimal weights and biases for a two-layer fully connected neural network to fit a given set of data points. This problem is known as empirical risk minimization in the machine learning community. We show that the problem is $\exists\mathbb{R}$-complete. This complexity class can be defined as the set of algorithmic problems that are polynomial-time equivalent to finding real roots of a polynomial with integer coefficients. Furthermore, we show that arbitrary algebraic numbers are required as weights to be able to train some instances to optimality, even if all data points are rational. Our results hold even if the following restrictions are all added simultaneously. $\bullet$ There are exactly two output neurons. $\bullet$ There are exactly two input neurons. $\bullet$ The data has only 13 different labels. $\bullet$ The number of hidden neurons is a constant fraction of the number of data points. $\bullet$ The target training error is zero. $\bullet$ The ReLU activation function is used. This shows that even very simple networks are difficult to train. The result explains why typical methods for $\mathsf{NP}$-complete problems, like mixed-integer programming or SAT-solving, cannot train neural networks to global optimality, unless $\mathsf{NP}=\exists\mathbb{R}$. We strengthen a recent result by Abrahamsen, Kleist and Miltzow [NeurIPS 2021].

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。

组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。

当前深度学习方法的许多应用程序的警告是需要大规模数据。Kolmogorov复杂性结果提出的一种改进是将最小描述长度原理与计算通用模型应用。我们研究了这种方法原则上可以带来的样品效率的潜在提高。我们使用多项式时间图灵机代表计算上的通用模型和布尔电路，以表示作用于有限精确数字的人工神经网络（ANN）。我们的分析解散了我们的问题与计算复杂性结果之间的直接联系。我们在使用图灵机而不是ANN应用的MDL之间的样品效率上提供了下限和上限。我们的界限取决于要学习的布尔函数的输入的位尺寸。此外，我们重点介绍了电路复杂性的经典开放问题与这些问题的紧密关系之间的密切关系。

图形神经网络（GNNS）是关于图形机器学习问题的深度学习架构。最近已经表明，GNN的富有效力可以精确地由组合Weisfeiler-Leman算法和有限可变计数逻辑来表征。该对应关系甚至导致了对应于更高维度的WL算法的新的高阶GNN。本文的目的是解释GNN的这些描述性特征。

我们证明，可以通过恒定的深度统一阈值电路模拟输入长度中具有对数精度的变压器神经网络（以及使用输入长度中的线性空间计算的FeedForward子网络）。因此，此类变压器仅在$ \ mathsf {tc}^0 $中识别形式语言，这是由常数深度，多大小阈值电路定义的语言类。这证明了NLP中的实际主张与计算复杂性理论中的理论猜想之间的联系：“注意就是您需要的一切”（Vaswani等，2017），即，只有在所有有效地计算的情况下，变形金刚都能够进行所有有效的计算可以使用日志空间来解决问题，即$ \ mathsf l = \ mathsf p $。我们还构建了一个可以在任何输入上评估任何恒定深度阈值电路的变压器，证明变形金刚可以遵循$ \ Mathsf {tc}^0 $中表示的说明。

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.

我们建立了量子算法设计与电路下限之间的第一一般连接。具体来说，让$ \ mathfrak {c} $是一类多项式大小概念，假设$ \ mathfrak {c} $可以在统一分布下的成员查询，错误$ 1/2 - \ gamma $通过时间$ t $量子算法。我们证明如果$ \ gamma ^ 2 \ cdot t \ ll 2 ^ n / n $，则$ \ mathsf {bqe} \ nsubseteq \ mathfrak {c} $，其中$ \ mathsf {bqe} = \ mathsf {bque} [2 ^ {o（n）}] $是$ \ mathsf {bqp} $的指数时间模拟。在$ \ gamma $和$ t $中，此结果是最佳的，因为它不难学习（经典）时间$ t = 2 ^ n $（没有错误） ，或在Quantum Time $ t = \ mathsf {poly}（n）$以傅立叶采样为单位为1/2美元（2 ^ { - n / 2}）$。换句话说，即使对这些通用学习算法的边际改善也会导致复杂性理论的主要后果。我们的证明在学习理论，伪随机性和计算复杂性的几个作品上构建，并且至关重要地，在非凡的经典学习算法与由Oliveira和Santhanam建立的电路下限之间的联系（CCC 2017）。扩展他们对量子学习算法的方法，结果产生了重大挑战。为此，我们展示了伪随机发电机如何以通用方式意味着学习到较低的连接，构建针对均匀量子计算的第一个条件伪随机发生器，并扩展了Impagliazzo，JaiSwal的本地列表解码算法。 ，Kabanets和Wigderson（Sicomp 2010）通过微妙的分析到量子电路。我们认为，这些贡献是独立的兴趣，可能会发现其他申请。

了解训练具有整流线性单元（RELUS）的训练简单神经网络的计算复杂性最近是一项深入研究的主题。缩小差距和文献的补充结果，我们提供了有关训练两层relu网络的参数复杂性相对于各种损失函数的几个结果。经过对其他参数的简要讨论，我们着重分析培训数据对计算复杂性的尺寸$ d $的影响。我们根据w [1]的参数$ d $提供运行时间的下限，并证明已知的蛮力策略基本上是最佳的（假设指数时间假设）。与以前的工作相比，我们的结果适用于广泛（ER）范围的损失功能，包括[0，\ infty] $中的所有$ p \ for $ \ ell^p $ -loss。特别是，我们将已知的多项式时间算法扩展到常数$ d $，并将凸损失函数扩展到更一般的损耗函数，在这些情况下，我们的运行时间下限也匹配。

在本文中，我们在具有线性阈值激活功能的神经网络上提出了新的结果。我们精确地表征了这种神经网络可表示的功能，并且显示2个隐藏层是必要的并且足以表示类中可表示的任何功能。鉴于使用其他流行的激活功能的神经网络的最近精确的可比性调查，这是一个令人惊讶的结果，这些功能使用其他流行的激活功能，如整流的线性单元（Relu）。我们还给出了代表类中任意函数所需的神经网络的大小的精确界限。最后，我们设计了一种算法来解决具有固定架构的这些神经网络的全球最优性的经验风险最小化（ERM）问题。如果输入维度和网络架构的大小被认为是固定常数，则算法的运行时间是数据样本大小的多项式。该算法的意义上是独一无二的，即它适用于任何数量的层数，而先前的多项式时间全局最佳算法仅适用于非常受限制的架构类。

We investigate the capacity, convexity and characterization of a general family of normconstrained feed-forward networks.

我们研究神经网络表达能力的基本限制。给定两组$ f $，$ g $的实值函数，我们首先证明了$ f $中的功能的一般下限，可以在$ l^p（\ mu）$ norm中通过$ g中的功能近似$，对于任何$ p \ geq 1 $和任何概率度量$ \ mu $。下限取决于$ f $的包装数，$ f $的范围以及$ g $的脂肪震动尺寸。然后，我们实例化了$ g $对应于分段的馈电神经网络的情况，并详细描述了两组$ f $：h {\“ o} lder balls和多变量单调函数。除了匹配（已知或新的）上限与日志因素外，我们的下限还阐明了$ l^p $ Norm或SUP Norm中近似之间的相似性或差异，解决了Devore等人的开放问题（2021年））。我们的证明策略与SUP Norm案例不同，并使用了Mendelson（2002）的关键概率结果。

We study the expressibility and learnability of convex optimization solution functions and their multi-layer architectural extension. The main results are: \emph{(1)} the class of solution functions of linear programming (LP) and quadratic programming (QP) is a universal approximant for the $C^k$ smooth model class or some restricted Sobolev space, and we characterize the rate-distortion, \emph{(2)} the approximation power is investigated through a viewpoint of regression error, where information about the target function is provided in terms of data observations, \emph{(3)} compositionality in the form of a deep architecture with optimization as a layer is shown to reconstruct some basic functions used in numerical analysis without error, which implies that \emph{(4)} a substantial reduction in rate-distortion can be achieved with a universal network architecture, and \emph{(5)} we discuss the statistical bounds of empirical covering numbers for LP/QP, as well as a generic optimization problem (possibly nonconvex) by exploiting tame geometry. Our results provide the \emph{first rigorous analysis of the approximation and learning-theoretic properties of solution functions} with implications for algorithmic design and performance guarantees.

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

大多数-AT是确定联合正常形式（CNF）中输入$ N $的最低价公式的问题至少为2 ^ {n-1} $令人满意的作业。在对概率规划和推论复杂性的各种AI社区中，广泛研究了多数饱和问题。虽然大多数饱满为期40多年来，但自然变体的复杂性保持开放：大多数 - $ k $ SAT，其中输入CNF公式仅限于最多$ k $的子句宽度。我们证明，每辆$ k $，大多数 - $ k $ sat是在p的。事实上，对于任何正整数$ k $和ratic $ \ rho \ in（0,1）$ in（0,1）$与有界分比者，我们给出了算法这可以确定给定的$ k $ -cnf是否至少有$ \ rho \ cdot 2 ^ n $令人满意的分配，在确定性线性时间（而先前的最着名的算法在指数时间中运行）。我们的算法对计算复杂性和推理的复杂性具有有趣的积极影响，显着降低了相关问题的已知复杂性，例如E-Maj-$ K $ Sat和Maj-Maj- $ K $ Sat。在我们的方法中，通过提取在$ k $ -cnf的相应设置系统中发现的向日葵，可以通过提取向日葵来解决阈值计数问题的有效方法。我们还表明，大多数 - $ k $ sat的易腐烂性有些脆弱。对于密切相关的gtmajority-sat问题（我们询问给定公式是否超过2 ^ {n-1} $满足分配），这已知是pp-cleanting的，我们表明gtmajority-$ k $ sat在p for $ k \ le 3 $，但为$ k \ geq 4 $完成np-cleante。这些结果是违反直觉的，因为这些问题的“自然”分类将是PP完整性，因为GTMAJority的复杂性存在显着差异 - $ k $ SAT和MOSTION- $ K $ SAT为所有$ k \ ge 4 $。

重新配置图中的两个最短路径意味着通过一次改变一个顶点来修改一个最短的路径，使得所有中间路径也是最短路径。这个问题有几个自然应用，即：（a）改造道路网络，（b）在同步多处理设置中重新排出数据包，（c）运输集装箱存货问题，以及（d）列车编组问题。在作为图形问题的建模时，（a）是最常规的情况而（b），（c）和（d）是对不同图形类的限制。我们表明（a）是棘手的，即使对于问题的轻松变体也是如此。对于（b），（c）和（d），我们提出了有效的算法来解决各自的问题。我们还将问题概括为当最多$ k $（对于固定整数$ k \ geq k \ ge $ k \ geq 2 $）一次连续的顶点一次可以一次更改。