Local search is a powerful heuristic in optimization and computer science, the complexity of which was studied in the white box and black box models. In the black box model, we are given a graph $G = (V,E)$ and oracle access to a function $f : V \to \mathbb{R}$. The local search problem is to find a vertex $v$ that is a local minimum, i.e. with $f(v) \leq f(u)$ for all $(u,v) \in E$, using as few queries as possible. The query complexity is well understood on the grid and the hypercube, but much less is known beyond. We show the query complexity of local search on $d$-regular expanders with constant degree is $\Omega\left(\frac{\sqrt{n}}{\log{n}}\right)$, where $n$ is the number of vertices. This matches within a logarithmic factor the upper bound of $O(\sqrt{n})$ for constant degree graphs from Aldous (1983), implying that steepest descent with a warm start is an essentially optimal algorithm for expanders. The best lower bound known from prior work was $\Omega\left(\frac{\sqrt[8]{n}}{\log{n}}\right)$, shown by Santha and Szegedy (2004) for quantum and randomized algorithms. We obtain this result by considering a broader framework of graph features such as vertex congestion and separation number. We show that for each graph, the randomized query complexity of local search is $\Omega\left(\frac{n^{1.5}}{g}\right)$, where $g$ is the vertex congestion of the graph; and $\Omega\left(\sqrt[4]{\frac{s}{\Delta}}\right)$, where $s$ is the separation number and $\Delta$ is the maximum degree. For separation number the previous bound was $\Omega\left(\sqrt[8]{\frac{s}{\Delta}} /\log{n}\right)$, given by Santha and Szegedy for quantum and randomized algorithms. We also show a variant of the relational adversary method from Aaronson (2006), which is asymptotically at least as strong as the version in Aaronson (2006) for all randomized algorithms and strictly stronger for some problems.


翻译:局部搜索是优化与计算机科学中一种强大的启发式方法,其复杂度已在白盒与黑盒模型中得到研究。在黑盒模型中,给定图$G = (V,E)$及对函数$f : V \to \mathbb{R}$的预言机访问。局部搜索问题旨在用尽可能少的查询次数找到局部最小值顶点$v$,即对于所有$(u,v) \in E$,满足$f(v) \leq f(u)$。网格与超立方体上的查询复杂度已被充分理解,但其他图结构上的结果尚不充分。我们证明在常度数$d$-正则扩展图上,局部搜索的查询复杂度为$\Omega\left(\frac{\sqrt{n}}{\log{n}}\right)$,其中$n$为顶点数。该结果在$O(\sqrt{n})$的上界(针对常度数图,由Aldous(1983)提出)的对数因子内达到匹配,表明带热启动的最速下降法是扩展图上的近似最优算法。此前已知的最优下界为$\Omega\left(\frac{\sqrt[8]{n}}{\log{n}}\right)$,由Santha与Szegedy(2004)对量子与随机算法证明。我们通过引入更广泛的图特征(如顶点拥塞度与分离数)框架得到该结果。证明表明:对任意图,局部搜索的随机查询复杂度为$\Omega\left(\frac{n^{1.5}}{g}\right)$,其中$g$为图的顶点拥塞度;以及$\Omega\left(\sqrt[4]{\frac{s}{\Delta}}\right)$,其中$s$为分离数,$\Delta$为最大度。针对分离数,此前的下界为$\Omega\left(\sqrt[8]{\frac{s}{\Delta}} /\log{n}\right)$,由Santha与Szegedy对量子与随机算法给出。我们还展示了Aaronson(2006)中关系对抗方法的一个变体,该变体对所有随机算法渐近不弱于Aaronson(2006)的原版本,且对某些问题严格更强。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
3+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
4+阅读 · 6月9日
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
4+阅读 · 6月9日
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
4+阅读 · 6月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员