We study the minimax estimation error for distributed covariance matrix estimation in the vertical-split (feature-split) setting, where two agents each observe different coordinates of $m$ i.i.d. sub-Gaussian samples and communicate a limited number of bits to a central server. While Rahmani et al. [2025] established nearly tight bounds for dense (unstructured) cross-covariance matrices, we investigate whether imposing elementwise $s$-sparsity on the cross-covariance $C_{21}$ can reduce the required communication and sample complexity. In contrast to the horizontal-split setting, where Braverman et al. [2016] showed that sparsity does not reduce communication cost for mean estimation, we prove that sparsity does help for cross-covariance estimation in the vertical split. Specifically, we establish minimax lower bounds showing that the communication budget per agent scales as $B_k = Ω(σ^4 d_k\, s' \log(d_1 d_2/s')/\varepsilon^2)$ and the sample complexity for cross-covariance estimation as $m = Ω(σ^4\, s' \log(d_1 d_2/s')/\varepsilon^2)$, where $s' = s \wedge d_{\min}$. For the $1$-sparse case, this yields an exponential improvement from $d_1 d_2$ to $\log(d_1 d_2)$ compared to the dense rate. Our lower bounds are established via Fano's method with an explicit sparse packing using a Varshamov--Gilbert-type argument for signed partial permutation matrices combined with the Conditional Strong Data Processing Inequality of Rahmani et al. [2025]. We show the bounds are tight with a matching achievable scheme, based on covering-net quantization and entry-wise hard thresholding, that attains the $s$-sparse lower bound up to polylogarithmic factors.


翻译:我们研究了垂直分裂(特征分裂)设置下分布式协方差矩阵估计的极小化极大估计误差,在该设置中,两个智能体各自观测 $m$ 个独立同分布的子高斯样本的不同坐标,并向中央服务器传输有限比特数的信息。虽然Rahmani等人[2025]针对稠密(无结构)互协方差矩阵建立了几近紧的界,我们探究了对互协方差 $C_{21}$ 施加逐元素 $s$-稀疏性是否能够降低所需的通信量和样本复杂度。与水平分裂设置(Braverman等人[2016]证明稀疏性不会降低均值估计的通信成本)相反,我们证明在垂直分裂中,稀疏性确实有助于互协方差估计。具体而言,我们建立了极小化极大下界,表明每个智能体的通信预算规模为 $B_k = Ω(σ^4 d_k\, s' \log(d_1 d_2/s')/\varepsilon^2)$,互协方差估计的样本复杂度为 $m = Ω(σ^4\, s' \log(d_1 d_2/s')/\varepsilon^2)$,其中 $s' = s \wedge d_{\min}$。对于 $1$-稀疏情况,这相比稠密速率实现了从 $d_1 d_2$ 到 $\log(d_1 d_2)$ 的指数级改进。我们的下界通过Fano方法建立,其中使用Varshamov–Gilbert型论证对有符号部分置换矩阵构造显式稀疏堆积,并结合Rahmani等人[2025]的条件强数据处理不等式。我们证明了这些界是紧的,并给出了一个匹配的可实现方案,该方案基于覆盖网量化和逐元素硬阈值化,在多项式对数因子范围内达到 $s$-稀疏下界。

0
下载
关闭预览

相关内容

【博士论文】基于信息论的泛化理论方法,274页pdf
专知会员服务
54+阅读 · 2024年6月3日
【博士论文】信息论视角下的泛化理论方法,274页pdf
专知会员服务
51+阅读 · 2024年4月28日
【CMU博士论文】分布偏移下的不确定性量化,226页pdf
专知会员服务
31+阅读 · 2023年9月30日
专知会员服务
56+阅读 · 2021年8月29日
从信息论的角度来理解损失函数
深度学习每日摘要
17+阅读 · 2019年4月7日
稀疏性的3个优势 -《稀疏统计学习及其应用》
遇见数学
15+阅读 · 2018年10月24日
FCS 论坛 | 孟德宇:误差建模原理
FCS
15+阅读 · 2017年8月17日
国家自然科学基金
1+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
2+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
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
12+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
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 今天4:08
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
“史诗怒火”行动:现代多域作战的重要节点
专知会员服务
8+阅读 · 7月30日
《下一代无线网络中的多无人机通信资源管理》
相关基金
国家自然科学基金
1+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
2+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
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
12+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
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员