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计算机科学 > 计算复杂性

arXiv:2507.13222 (cs)
[提交于 2025年7月17日 ]

标题: 从NP难性得出的计算统计权衡

标题: Computational-Statistical Tradeoffs from NP-hardness

Authors:Guy Blanc, Caleb Koch, Carmen Strassle, Li-Yang Tan
摘要: 计算机科学和统计学中的一个核心问题是,高效的算法是否能够达到统计问题的信息理论极限。 在平均情况假设下已经证明了许多计算-统计权衡,但由于统计问题本质上是平均情况的,因此将其建立在标准最坏情况假设上一直是一个挑战。 在PAC学习中,这种权衡首次被研究,问题在于计算效率是否会导致使用比信息理论所必需更多的样本。 我们基于$\mathsf{NP}$硬性获得以下结果: $\circ$在$\mathsf{NP}$需要指数时间的假设下,得到精确的计算统计权衡:对于每个多项式$p(n)$,存在一个$n$变量类$C$,其 VC 维为$1$,使得在时间高效学习$C$的样本复杂度为$\Theta(p(n))$。 $\circ$以学习的角度对$\mathsf{RP}$与$\mathsf{NP}$的特征进行描述:$\mathsf{RP} = \mathsf{NP}$当且仅当每个$\mathsf{NP}$可枚举类在多项式时间内可通过$O(\mathrm{VCdim}(C))$样本进行学习。 正向蕴含自 (Pitt 和 Valiant, 1988) 以来已为人所知;我们证明了反向蕴含。 值得注意的是,我们的所有下界都针对不正确的学习者成立。 这些是首次针对不正确学习多项式大小电路的子类的$\mathsf{NP}$难度结果,绕过了 Applebaum、Barak 和 Xiao (2008) 提出的形式障碍。
摘要: A central question in computer science and statistics is whether efficient algorithms can achieve the information-theoretic limits of statistical problems. Many computational-statistical tradeoffs have been shown under average-case assumptions, but since statistical problems are average-case in nature, it has been a challenge to base them on standard worst-case assumptions. In PAC learning where such tradeoffs were first studied, the question is whether computational efficiency can come at the cost of using more samples than information-theoretically necessary. We base such tradeoffs on $\mathsf{NP}$-hardness and obtain: $\circ$ Sharp computational-statistical tradeoffs assuming $\mathsf{NP}$ requires exponential time: For every polynomial $p(n)$, there is an $n$-variate class $C$ with VC dimension $1$ such that the sample complexity of time-efficiently learning $C$ is $\Theta(p(n))$. $\circ$ A characterization of $\mathsf{RP}$ vs. $\mathsf{NP}$ in terms of learning: $\mathsf{RP} = \mathsf{NP}$ iff every $\mathsf{NP}$-enumerable class is learnable with $O(\mathrm{VCdim}(C))$ samples in polynomial time. The forward implication has been known since (Pitt and Valiant, 1988); we prove the reverse implication. Notably, all our lower bounds hold against improper learners. These are the first $\mathsf{NP}$-hardness results for improperly learning a subclass of polynomial-size circuits, circumventing formal barriers of Applebaum, Barak, and Xiao (2008).
评论: 出现在FOCS 2025上
主题: 计算复杂性 (cs.CC) ; 数据结构与算法 (cs.DS); 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2507.13222 [cs.CC]
  (或者 arXiv:2507.13222v1 [cs.CC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.13222
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Guy Blanc [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 17 日 15:35:36 UTC (74 KB)
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