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计算机科学 > 计算复杂性

arXiv:2501.12365v2 (cs)
[提交于 2025年1月21日 (v1) ,最后修订 2025年4月21日 (此版本, v2)]

标题: 广义$q$-元函数的稀疏傅里叶变换的高效算法

标题: Efficient Algorithm for Sparse Fourier Transform of Generalized $q$-ary Functions

Authors:Darin Tsui, Kunal Talreja, Amirali Aghazadeh
摘要: 计算一个$q$-元函数的傅里叶变换$f:\mathbb{Z}_{q}^n\rightarrow \mathbb{R}$,该函数将$q$-元序列映射到实数,是数学中的一个重要问题,在生物学、信号处理和机器学习中有广泛的应用。 先前的研究表明,在稀疏性假设下,可以使用快速且样本高效的算法有效地计算傅里叶变换。 然而,在大多数实际情况下,该函数定义在一个更一般的空间——广义$q$-元序列空间$\mathbb{Z}_{q_1} \times \mathbb{Z}_{q_2} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{q_n}$——其中每个$\mathbb{Z}_{q_i}$对应于模$q_i$的整数。 在此,我们开发了GFast,一种编码理论算法,该算法计算$S$-稀疏傅里叶变换的$f$,其样本复杂度为$O(Sn)$,计算复杂度为$O(Sn \log N)$,失败概率随着$N=\prod_{i=1}^n q_i \rightarrow \infty$趋近于零,其中$S = N^\delta$对于某些$0 \leq \delta < 1$。 我们证明了噪声鲁棒版本的GFast在相同的高概率保证下,以样本复杂度$O(Sn^2)$和计算复杂度$O(Sn^2 \log N)$来计算变换。 此外,我们展示了GFast在合成实验中使用$16\times$更少的样本,能够更快地计算广义$q$-元函数$8\times$的稀疏傅里叶变换,并且与现有的傅里叶算法相比,在使用最多$13\times$更少的样本的情况下,能够解释现实世界的心脏病诊断和蛋白质适应性模型,这些模型应用了作为$q$-元函数的最有效参数化方法。
摘要: Computing the Fourier transform of a $q$-ary function $f:\mathbb{Z}_{q}^n\rightarrow \mathbb{R}$, which maps $q$-ary sequences to real numbers, is an important problem in mathematics with wide-ranging applications in biology, signal processing, and machine learning. Previous studies have shown that, under the sparsity assumption, the Fourier transform can be computed efficiently using fast and sample-efficient algorithms. However, in most practical settings, the function is defined over a more general space -- the space of generalized $q$-ary sequences $\mathbb{Z}_{q_1} \times \mathbb{Z}_{q_2} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{q_n}$ -- where each $\mathbb{Z}_{q_i}$ corresponds to integers modulo $q_i$. Herein, we develop GFast, a coding theoretic algorithm that computes the $S$-sparse Fourier transform of $f$ with a sample complexity of $O(Sn)$, computational complexity of $O(Sn \log N)$, and a failure probability that approaches zero as $N=\prod_{i=1}^n q_i \rightarrow \infty$ with $S = N^\delta$ for some $0 \leq \delta < 1$. We show that a noise-robust version of GFast computes the transform with a sample complexity of $O(Sn^2)$ and computational complexity of $O(Sn^2 \log N)$ under the same high probability guarantees. Additionally, we demonstrate that GFast computes the sparse Fourier transform of generalized $q$-ary functions $8\times$ faster using $16\times$ fewer samples on synthetic experiments, and enables explaining real-world heart disease diagnosis and protein fitness models using up to $13\times$ fewer samples compared to existing Fourier algorithms applied to the most efficient parameterization of the models as $q$-ary functions.
主题: 计算复杂性 (cs.CC) ; 离散数学 (cs.DM); 信息论 (cs.IT); 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2501.12365 [cs.CC]
  (或者 arXiv:2501.12365v2 [cs.CC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.12365
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

提交历史

来自: Amirali Aghazadeh [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 1 月 21 日 18:45:09 UTC (1,319 KB)
[v2] 星期一, 2025 年 4 月 21 日 00:23:46 UTC (1,732 KB)
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