计算机科学 > 计算复杂性
[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
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。
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