We consider the problem of learning the structure underlying a Gaussian graphical model when the variables (or subsets thereof) are corrupted by independent noise. A recent line of work establishes that even for tree-structured graphical models, only partial structure recovery is possible and goes on to devise algorithms to identify the structure up to an (unavoidable) equivalence class of trees. We extend these results beyond trees and consider the model selection problem under noise for non tree-structured graphs, as tree graphs cannot model several real-world scenarios. Although unidentifiable, we show that, like the tree-structured graphs, the ambiguity is limited to an equivalence class. This limited ambiguity can help provide meaningful clustering information (even with noise), which is helpful in computer and social networks, protein-protein interaction networks, and power networks. Furthermore, we devise an algorithm based on a novel ancestral testing method for recovering the equivalence class. We complement these results with finite sample guarantees for the algorithm in the high-dimensional regime.

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。

在图形因果发现的背景下，我们适应了线性非高斯无环模型（Lingams）的多功能框架，以提出新算法以有效地学习polytrees的图形。我们的方法结合了Chow- Liu算法，该算法首先学习了无向树结构，并与新的方案定向边缘。方向方案评估数据生成分布的矩之间的代数关系，并且计算便宜。我们为我们的方法建立了高维的一致性结果，并比较了数值实验中的不同算法版本。

我们根据计算一个扎根于每个顶点的某个加权树的家族而构成的相似性得分提出了一种有效的图形匹配算法。对于两个erd \ h {o} s-r \'enyi图$ \ mathcal {g}（n，q）$，其边缘通过潜在顶点通信相关联，我们表明该算法正确地匹配了所有范围的范围，除了所有的vertices分数外，有了很高的概率，前提是$ nq \ to \ infty $，而边缘相关系数$ \ rho $满足$ \ rho^2> \ alpha \ ailpha \大约0.338 $，其中$ \ alpha $是Otter的树木计数常数。此外，在理论上是必需的额外条件下，可以精确地匹配。这是第一个以显式常数相关性成功的多项式图匹配算法，并适用于稀疏和密集图。相比之下，以前的方法要么需要$ \ rho = 1-o（1）$，要么仅限于稀疏图。该算法的症结是一个经过精心策划的植根树的家族，称为吊灯，它可以有效地从同一树的计数中提取图形相关性，同时抑制不同树木之间的不良相关性。

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。

随机块模型（SBM）是一个随机图模型，其连接不同的顶点组不同。它被广泛用作研究聚类和社区检测的规范模型，并提供了肥沃的基础来研究组合统计和更普遍的数据科学中出现的信息理论和计算权衡。该专着调查了最近在SBM中建立社区检测的基本限制的最新发展，无论是在信息理论和计算方案方面，以及各种恢复要求，例如精确，部分和弱恢复。讨论的主要结果是在Chernoff-Hellinger阈值中进行精确恢复的相转换，Kesten-Stigum阈值弱恢复的相变，最佳的SNR - 单位信息折衷的部分恢复以及信息理论和信息理论之间的差距计算阈值。该专着给出了在寻求限制时开发的主要算法的原则推导，特别是通过绘制绘制，半定义编程，（线性化）信念传播，经典/非背带频谱和图形供电。还讨论了其他块模型的扩展，例如几何模型和一些开放问题。

本文讨论了ERD \ H {O} S-R \'enyi图的图形匹配或网络对齐问题，可以将其视为图同构问题的嘈杂平均案例版本。令$ g $和$ g'$ be $ g（n，p）$ erd \ h {o} s--r \'enyi略微图形，并用其邻接矩阵识别。假设$ g $和$ g'$是相关的，因此$ \ mathbb {e} [g_ {ij} g'_ {ij}] = p（1- \ alpha）$。对于置换$ \ pi $，代表$ g $和$ g'$之间的潜在匹配，用$ g^\ pi $表示从$ \ pi $的$ g $的顶点获得的图表。观察$ g^\ pi $和$ g'$，我们的目标是恢复匹配的$ \ pi $。在这项工作中，我们证明，在（0,1] $中，每$ \ varepsilon \ in（0,1] $，都有$ n_0> 0 $，具体取决于$ \ varepsilon $和绝对常数$ \ alpha_0，r> 0 $，带有以下属性。令$ n \ ge n_0 $，$（1+ \ varepsilon）\ log n \ le np \ le n^{\ frac {1} {r \ log \ log \ log n}} $ （\ alpha_0，\ varepsilon/4）$。有一个多项式时算法$ f $，因此$ \ m athbb {p} \ {f（g^\ pi，g'）= \ pi \} = 1-o （1）$。这是第一种多项式时算法，它恢复了相关的ERD \ H {O} S-r \'enyi图与具有恒定相关性的相关性图与高概率相关性的确切匹配。该算法是基于比较的比较与图形顶点关联的分区树。

通过潜在树形图形模型建模高维数据的分布是多个科学域中的一种普遍存在的方法。常见的任务是推断底层树结构，仅给出其终端节点的观察。树恢复的许多算法是计算密集型的，这将其适用于中等大小的树木。对于大树，一种共同的方法，被称为剥夺和征服，是以两步恢复树结构。首先，将结构分别恢复终端节点的多个可能随机子集。其次，合并生成的子树以形成一棵树。在这里，我们开发频谱自上而下的恢复（STDR），确定性分割和征服方法来推断出大潜在树模型。与以前的方法不同，STDR基于与观察到的节点相关的合适的LAPLACIAN矩阵的FIEDLER向量，以非随机方式分配终端节点。我们证明，在某些条件下，这种分区与树结构一致。反过来，这导致了小远子的显着更简单的合并程序。我们证明了STDR在统计上是一致的，并绑定了以高概率准确恢复树所需的样本数量。使用来自近几种常见树模型的模拟数据在系统发育中，我们证明STDR在运行时具有显着的优势，具有改善或类似的准确性。

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）。

我们开发了一种高效的随机块模型中的弱恢复算法。该算法与随机块模型的Vanilla版本的最佳已知算法的统计保证匹配。从这个意义上讲，我们的结果表明，随机块模型没有稳健性。我们的工作受到最近的银行，Mohanty和Raghavendra（SODA 2021）的工作，为相应的区别问题提供了高效的算法。我们的算法及其分析显着脱离了以前的恢复。关键挑战是我们算法的特殊优化景观：种植的分区可能远非最佳意义，即完全不相关的解决方案可以实现相同的客观值。这种现象与PCA的BBP相转变的推出效应有关。据我们所知，我们的算法是第一个在非渐近设置中存在这种推出效果的鲁棒恢复。我们的算法是基于凸优化的框架的实例化（与平方和不同的不同），这对于其他鲁棒矩阵估计问题可能是有用的。我们的分析的副产物是一种通用技术，其提高了任意强大的弱恢复算法的成功（输入的随机性）从恒定（或缓慢消失）概率以指数高概率。

为了捕获许多社区检测问题的固有几何特征，我们建议使用一个新的社区随机图模型，我们称之为\ emph {几何块模型}。几何模型建立在\ emph {随机几何图}（Gilbert，1961）上，这是空间网络的随机图的基本模型之一，就像在ERD \ H上建立的良好的随机块模型一样{o} s-r \'{en} yi随机图。它也是受到社区发现中最新的理论和实际进步启发的随机社区模型的自然扩展。为了分析几何模型，我们首先为\ emph {Random Annulus图}提供新的连接结果，这是随机几何图的概括。自引入以来，已经研究了几何图的连通性特性，并且由于相关的边缘形成而很难分析它们。然后，我们使用随机环形图的连接结果来提供必要的条件，以有效地为几何块模型恢复社区。我们表明，一种简单的三角计数算法来检测几何模型中的社区几乎是最佳的。为此，我们考虑了两个图密度方案。在图表的平均程度随着顶点的对数增长的状态中，我们表明我们的算法在理论上和实际上都表现出色。相比之下，三角计数算法对于对数学度方案中随机块模型远非最佳。我们还查看了图表的平均度与顶点$ n $的数量线性增长的状态，因此要存储一个需要$ \ theta（n^2）$内存的图表。我们表明，我们的算法需要在此制度中仅存储$ o（n \ log n）$边缘以恢复潜在社区。

我们介绍并研究了分布的邻居晶格分解，这是有条件独立性的紧凑，非图形表示，在没有忠实的图形表示的情况下是有效的。这个想法是将变量的一组社区视为子集晶格，并将此晶格分配到凸sublattices中，每个晶格都直接编码有条件的独立关系集合。我们表明，这种分解存在于任何组成型绘画中，并且可以在高维度中有效且一致地计算出来。 {特别是，这给了一种方法来编码满足组合公理的分布所隐含的所有独立关系，该分布严格比图形方法通常假定的忠实假设弱弱。}我们还讨论了各种特殊案例，例如图形模型和投影晶格，每个晶格都有直观的解释。一路上，我们看到了这个问题与邻域回归密切相关的，该回归已在图形模型和结构方程式的背景下进行了广泛的研究。

我们分析了在没有特定分布假设的常规设置中从观察数据的学习中学循环图形模型的复杂性。我们的方法是信息定理，并使用本地马尔可夫边界搜索程序，以便在基础图形模型中递归地构建祖先集。也许令人惊讶的是，我们表明，对于某些图形集合，一个简单的前向贪婪搜索算法（即没有向后修剪阶段）足以学习每个节点的马尔可夫边界。这显着提高了我们在节点的数量中显示的样本复杂性。然后应用这一点以在从文献中概括存在现有条件的新型标识性条件下学习整个图。作为独立利益的问题，我们建立了有限样本的保障，以解决从数据中恢复马尔可夫边界的问题。此外，我们将我们的结果应用于特殊情况的Polytrees，其中假设简化，并提供了多项识别的明确条件，并且在多项式时间中可以识别和可知。我们进一步说明了算法在仿真研究中易于实现的算法的性能。我们的方法是普遍的，用于无需分布假设的离散或连续分布，并且由于这种棚灯对有效地学习来自数据的定向图形模型结构所需的最小假设。

The stochastic block model (SBM) is a random graph model with planted clusters. It is widely employed as a canonical model to study clustering and community detection, and provides generally a fertile ground to study the statistical and computational tradeoffs that arise in network and data sciences.This note surveys the recent developments that establish the fundamental limits for community detection in the SBM, both with respect to information-theoretic and computational thresholds, and for various recovery requirements such as exact, partial and weak recovery (a.k.a., detection). The main results discussed are the phase transitions for exact recovery at the Chernoff-Hellinger threshold, the phase transition for weak recovery at the Kesten-Stigum threshold, the optimal distortion-SNR tradeoff for partial recovery, the learning of the SBM parameters and the gap between information-theoretic and computational thresholds.The note also covers some of the algorithms developed in the quest of achieving the limits, in particular two-round algorithms via graph-splitting, semi-definite programming, linearized belief propagation, classical and nonbacktracking spectral methods. A few open problems are also discussed.

我们研究了在存在潜在变量存在下从数据重建因果图形模型的问题。感兴趣的主要问题是在潜在变量上恢复因果结构，同时允许一般，可能在变量之间的非线性依赖性。在许多实际问题中，原始观测之间的依赖性（例如，图像中的像素）的依赖性比某些高级潜在特征（例如概念或对象）之间的依赖性要小得多，这是感兴趣的设置。我们提供潜在表示和潜在潜在因果模型的条件可通过减少到混合甲骨文来识别。这些结果突出了学习混合模型的顺序的良好研究问题与观察到和解开的基础结构的问题之间的富裕问题之间的有趣连接。证明是建设性的，并导致几种算法用于明确重建全图形模型。我们讨论高效算法并提供说明实践中算法的实验。

我们研究了清单可解放的平均估计问题，而对手可能会破坏大多数数据集。具体来说，我们在$ \ mathbb {r} ^ $和参数$ 0 <\ alpha <\ frac 1 2 $中给出了一个$ $ n $ points的$ t $ points。$ \ alpha $ -flaction的点$ t $是iid来自乖巧的分发$ \ Mathcal {D} $的样本，剩余的$（1- \ alpha）$ - 分数是任意的。目标是输出小型的vectors列表，其中至少一个接近$ \ mathcal {d} $的均值。我们开发新的算法，用于列出可解码的平均值估计，实现几乎最佳的统计保证，运行时间$ O（n ^ {1 + \ epsilon_0} d）$，适用于任何固定$ \ epsilon_0> 0 $。所有先前的此问题算法都有额外的多项式因素在$ \ frac 1 \ alpha $。我们与额外技术一起利用此结果，以获得用于聚类混合物的第一个近几个线性时间算法，用于分开的良好表现良好的分布，几乎匹配谱方法的统计保证。先前的聚类算法本身依赖于$ k $ -pca的应用程序，从而产生$ \ omega（n d k）$的运行时。这标志着近二十年来这个基本统计问题的第一次运行时间改进。我们的方法的起点是基于单次矩阵乘法权重激发电位减少的$ \ Alpha \至1 $制度中的新颖和更简单的近线性时间较强的估计算法。在Diakonikolas等人的迭代多滤波技术的背景下，我们迫切地利用了这种新的算法框架。 '18，'20，提供一种使用一维投影的同时群集和下群点的方法 - 因此，绕过先前算法所需的$ k $ -pca子程序。

在观察性研究中，经常遇到有关存在或缺乏因果边缘和路径的因果背景知识。由于背景知识而导致的马尔可夫等效dag的子类共享的指向边缘和链接可以由因果关系最大部分定向的无循环图（MPDAG）表示。在本文中，我们首先提供了因果MPDAG的声音和完整的图形表征，并提供了因果MPDAG的最小表示。然后，我们介绍了一种名为Direct Causal子句（DCC）的新颖表示，以统一形式表示所有类型的因果背景知识。使用DCC，我们研究因果背景知识的一致性和等效性，并表明任何因果背景知识集都可以等效地分解为因果MPDAG，以及最小的残留DCC。还提供了多项式时间算法，以检查一致性，等效性并找到分解的MPDAG和残留DCC。最后，有了因果背景知识，我们证明了一个足够且必要的条件来识别因果关系，并且出人意料地发现因果效应的可识别性仅取决于分解的MPDAG。我们还开发了局部IDA型算法，以估计无法识别效应的可能值。模拟表明因果背景知识可以显着提高因果影响的识别性。

聚类是无监督学习中的基本原始，它引发了丰富的计算挑战性推理任务。在这项工作中，我们专注于将$ D $ -dimential高斯混合的规范任务与未知（和可能的退化）协方差集成。最近的作品（Ghosh等人。恢复在高斯聚类实例中种植的某些隐藏结构。在许多类似的推理任务上的工作开始，这些较低界限强烈建议存在群集的固有统计到计算间隙，即群集任务是\ yringit {statistically}可能但没有\ texit {多项式 - 时间}算法成功。我们考虑的聚类任务的一个特殊情况相当于在否则随机子空间中找到种植的超立体载体的问题。我们表明，也许令人惊讶的是，这种特定的聚类模型\ extent {没有展示}统计到计算间隙，即使在这种情况下继续应用上述的低度和SOS下限。为此，我们提供了一种基于Lenstra - Lenstra - Lovasz晶格基础减少方法的多项式算法，该方法实现了$ D + 1 $样本的统计上最佳的样本复杂性。该结果扩展了猜想统计到计算间隙的问题的类问题可以通过“脆弱”多项式算法“关闭”，突出显示噪声在统计到计算间隙的发作中的关键而微妙作用。

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.

图形上的分层聚类是数据挖掘和机器学习中的一项基本任务，并在系统发育学，社交网络分析和信息检索等领域中进行了应用。具体而言，我们考虑了由于Dasgupta引起的层次聚类的最近普及的目标函数。以前（大约）最小化此目标函数的算法需要线性时间/空间复杂性。在许多应用程序中，底层图的大小可能很大，即使使用线性时间/空间算法，也可以在计算上具有挑战性。结果，人们对设计只能使用sublinear资源执行全局计算的算法有浓厚的兴趣。这项工作的重点是在三个经过良好的sublinear计算模型下研究大量图的层次聚类，分别侧重于时空，时间和通信，作为要优化的主要资源：（1）（动态）流模型。边缘作为流，（2）查询模型表示，其中使用邻居和度查询查询图形，（3）MPC模型，其中图边缘通过通信通道连接的几台机器进行了分区。我们在上面的所有三个模型中设计用于层次聚类的sublinear算法。我们算法结果的核心是图表中的剪切方面的视图，这使我们能够使用宽松的剪刀示意图进行分层聚类，同时仅引入目标函数中的较小失真。然后，我们的主要算法贡献是如何在查询模型和MPC模型中有效地构建所需形式的切割稀疏器。我们通过建立几乎匹配的下限来补充我们的算法结果，该界限排除了在每个模型中设计更好的算法的可能性。