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。

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。

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。

我们研究了Massart噪声存在下PAC学习半空间的复杂性。在这个问题中，我们得到了I.I.D.标记的示例$（\ mathbf {x}，y）\ in \ mathbb {r}^n \ times \ {\ pm 1 \} $，其中$ \ mathbf {x} $的分布是任意的，标签$ y y y y y y。 $是$ f（\ mathbf {x}）$的MassArt损坏，对于未知的半空间$ f：\ mathbb {r}^n \ to \ to \ {\ pm 1 \} $，带有翻转概率$ \ eta（\ eta）（\ eta） Mathbf {x}）\ leq \ eta <1/2 $。学习者的目的是计算一个小于0-1误差的假设。我们的主要结果是该学习问题的第一个计算硬度结果。具体而言，假设学习错误（LWE）问题（LWE）问题的（被认为是广泛的）超指定时间硬度，我们表明，即使最佳，也没有多项式时间MassArt Halfspace学习者可以更好地达到错误的错误，即使是最佳0-1错误很小，即$ \ mathrm {opt} = 2^{ - \ log^{c}（n）} $对于任何通用常数$ c \ in（0，1）$。先前的工作在统计查询模型中提供了定性上类似的硬度证据。我们的计算硬度结果基本上可以解决Massart Halfspaces的多项式PAC可学习性，这表明对该问题的已知有效学习算法几乎是最好的。

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。

我们重新审视量子状态认证的基本问题：给定混合状态$ \ rho \中的副本\ mathbb {c} ^ {d \ times d} $和混合状态$ \ sigma $的描述，决定是否$ \ sigma = \ rho $或$ \ | \ sigma - \ rho \ | _ {\ mathsf {tr}} \ ge \ epsilon $。当$ \ sigma $最大化时，这是混合性测试，众所周知，$ \ omega（d ^ {\ theta（1）} / \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，所以确切的指数取决于测量类型学习者可以使[OW15，BCL20]，并且在许多这些设置中，有一个匹配的上限[OW15，Bow19，BCL20]。可以避免这种$ d ^ {\ theta（1）} $依赖于某些类型的混合状态$ \ sigma $，例如。大约低等级的人？更常见地，是否存在一个简单的功能$ f：\ mathbb {c} ^ {d \ times d} \ to \ mathbb {r} _ {\ ge 0} $，其中一个人可以显示$ \ theta（f（ \ sigma）/ \ epsilon ^ 2）$副本是必要的，并且足以就任何$ \ sigma $的国家认证？这种实例 - 最佳边界在经典分布测试的背景下是已知的，例如， [VV17]。在这里，我们为量子设置提供了这个性质的第一个界限，显示（达到日志因子），即使用非接受不连贯测量的状态认证的复杂性复杂性基本上是通过复制复杂性进行诸如$ \ sigma $之间的保真度的复杂性。和最大混合的状态。令人惊讶的是，我们的界限与经典问题的实例基本上不同，展示了两个设置之间的定性差异。

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。

Learning problems form an important category of computational tasks that generalizes many of the computations researchers apply to large real-life data sets. We ask: what concept classes can be learned privately, namely, by an algorithm whose output does not depend too heavily on any one input or specific training example? More precisely, we investigate learning algorithms that satisfy differential privacy, a notion that provides strong confidentiality guarantees in contexts where aggregate information is released about a database containing sensitive information about individuals.Our goal is a broad understanding of the resources required for private learning in terms of samples, computation time, and interaction. We demonstrate that, ignoring computational constraints, it is possible to privately agnostically learn any concept class using a sample size approximately logarithmic in the cardinality of the concept class. Therefore, almost anything learnable is learnable privately: specifically, if a concept class is learnable by a (non-private) algorithm with polynomial sample complexity and output size, then it can be learned privately using a polynomial number of samples. We also present a computationally efficient private PAC learner for the class of parity functions. This result dispels the similarity between learning with noise and private learning (both must be robust to small changes in inputs), since parity is thought to be very hard to learn given random classification noise.Local (or randomized response) algorithms are a practical class of private algorithms that have received extensive investigation. We provide a precise characterization of local private learning algorithms. We show that a concept class is learnable by a local algorithm if and only if it is learnable in the statistical query (SQ) model. Therefore, for local private learning algorithms, the similarity to learning with noise is stronger: local learning is equivalent to SQ learning, and SQ algorithms include most known noise-tolerant learning algorithms. Finally, we present a separation between the power of interactive and noninteractive local learning algorithms. Because of the equivalence to SQ learning, this result also separates adaptive and nonadaptive SQ learning.

我们研究了测试有序域上的离散概率分布是否是指定数量的垃圾箱的直方图。$ k $的简洁近似值的最常见工具之一是$ k $ [n] $，是概率分布，在一组$ k $间隔上是分段常数的。直方图测试问题如下：从$ [n] $上的未知分布中给定样品$ \ mathbf {p} $，我们想区分$ \ mathbf {p} $的情况从任何$ k $ - 组织图中，总变化距离的$ \ varepsilon $ -far。我们的主要结果是针对此测试问题的样本接近最佳和计算有效的算法，以及几乎匹配的（在对数因素内）样品复杂性下限。具体而言，我们表明直方图测试问题具有样品复杂性$ \ widetilde \ theta（\ sqrt {nk} / \ varepsilon + k / \ varepsilon^2 + \ sqrt {n} / \ varepsilon^2）$。

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。

每年，深度学习都会通过更深层和更广泛的神经网络展示新的和改进的经验结果。同时，使用现有的理论框架，很难在不诉诸于计数参数或遇到深度指数的样本复杂性范围的情况下，比两层更深地分析网络。尝试在不同的镜头下分析现代机器学习也许是富有成效的。在本文中，我们提出了一个新颖的信息理论框架，其遗憾和样本复杂性的概念用于分析机器学习的数据要求。通过我们的框架，我们首先通过一些经典示例进行工作，例如标量估计和线性回归，以构建直觉并引入通用技术。然后，我们使用该框架来研究由深度符号神经网络，深度恢复神经网络和深层网络产生的数据的样本复杂性，这些数据无限宽，但具有限制的权重。对于符号神经网络，我们恢复了基于VC量的参数之后的样本复杂性界限。对于后两个神经网络环境，我们建立了新的结果，这些结果表明，在这些数据生成过程中，学习的样本复杂性最多是线性和二次的网络深度。

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。

部分可观察到的马尔可夫决策过程（POMDPS）是加强学习的自然和一般模型，以考虑到代理人对其当前国家的不确定性。在POMDPS的文献中，习惯性地假设在已知参数时计算最佳策略的规划Oracle，即使已知问题是计算的。几乎所有现有的规划算法都在指数时间内运行，缺乏可证明的性能保证，或者需要在每个可能的政策下对转换动态进行强烈的假设。在这项工作中，我们重新审视了规划问题并问：是否有自然和积极的假设，使计划变得容易？我们的主要结果是用于规划（一步）可观察POMDPS的QuasioInomial-time算法。具体而言，我们假设各国的分离良好的分布导致分开的观察分布，因此观察结果在每一步中至少有一些信息。至关重要的是，这个假设没有对POMDP的过渡动态的限制;尽管如此，它意味着近乎最佳的政策承认准简洁的描述，这通常不是真实的（在标准的硬度假设下）。我们的分析基于滤波器稳定性的新定量界限 - 即潜在状态的最佳滤波器的速率忘记其初始化。此外，在指数时间假设下，我们证明了在可观察POMDPS中规划的匹配硬度。

在这项工作中，我们研究了鲁布利地学习Mallows模型的问题。我们给出了一种算法，即使其样本的常数分数是任意损坏的恒定分数，也可以准确估计中央排名。此外，我们的稳健性保证是无关的，因为我们的整体准确性不依赖于排名的替代品的数量。我们的工作可以被认为是从算法稳健统计到投票和信息聚集中的中央推理问题之一的视角的自然输注。具体而言，我们的投票规则是有效的可计算的，并且通过一大群勾结的选民无法改变其结果。

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。

公司跨行业对机器学习（ML）的快速传播采用了重大的监管挑战。一个这样的挑战就是可伸缩性：监管机构如何有效地审核这些ML模型，以确保它们是公平的？在本文中，我们启动基于查询的审计算法的研究，这些算法可以以查询有效的方式估算ML模型的人口统计学率。我们提出了一种最佳的确定性算法，以及具有可比保证的实用随机，甲骨文效率的算法。此外，我们进一步了解了随机活动公平估计算法的最佳查询复杂性。我们对主动公平估计的首次探索旨在将AI治理置于更坚定的理论基础上。

经典的算法adaboost允许转换一个弱学习者，这是一种算法，它产生的假设比机会略好，成为一个强大的学习者，在获得足够的培训数据时，任意高精度。我们提出了一种新的算法，该算法从弱学习者中构建了一个强大的学习者，但比Adaboost和所有其他弱者到强大的学习者使用训练数据少，以实现相同的概括界限。样本复杂性下限表明我们的新算法使用最小可能的训练数据，因此是最佳的。因此，这项工作解决了从弱学习者中构建强大学习者的经典问题的样本复杂性。

Consider the following abstract coin tossing problem: Given a set of $n$ coins with unknown biases, find the most biased coin using a minimal number of coin tosses. This is a common abstraction of various exploration problems in theoretical computer science and machine learning and has been studied extensively over the years. In particular, algorithms with optimal sample complexity (number of coin tosses) have been known for this problem for quite some time. Motivated by applications to processing massive datasets, we study the space complexity of solving this problem with optimal number of coin tosses in the streaming model. In this model, the coins are arriving one by one and the algorithm is only allowed to store a limited number of coins at any point -- any coin not present in the memory is lost and can no longer be tossed or compared to arriving coins. Prior algorithms for the coin tossing problem with optimal sample complexity are based on iterative elimination of coins which inherently require storing all the coins, leading to memory-inefficient streaming algorithms. We remedy this state-of-affairs by presenting a series of improved streaming algorithms for this problem: we start with a simple algorithm which require storing only $O(\log{n})$ coins and then iteratively refine it further and further, leading to algorithms with $O(\log\log{(n)})$ memory, $O(\log^*{(n)})$ memory, and finally a one that only stores a single extra coin in memory -- the same exact space needed to just store the best coin throughout the stream. Furthermore, we extend our algorithms to the problem of finding the $k$ most biased coins as well as other exploration problems such as finding top-$k$ elements using noisy comparisons or finding an $\epsilon$-best arm in stochastic multi-armed bandits, and obtain efficient streaming algorithms for these problems.