We study the graph alignment problem for correlated Gaussian Orthogonal Ensemble (GOE) matrices, where the goal is to recover a hidden vertex permutation given two correlated symmetric Gaussian matrices $(A, B)$ with correlation $1/\sqrt{1+σ^2}$. While the maximum likelihood estimator is information-theoretically optimal, its computation, which reduces to a quadratic assignment problem, is intractable. Motivated by this, we analyze convex relaxations based on minimizing $\|AX - XB\|_F$ over the set of doubly stochastic matrices and the unit hypercube. We show that when the correlation parameter satisfies $σ= o(n^{-1/2}/\log^4 n)$, the solution of either relaxation $(X^\star)$ concentrates around the ground-truth permutation matrix $(Π^\star)$, i.e., $\|X^\star-Π^\star\|_F^2 = o(n)$, implying recovery of all but a vanishing fraction of vertices after simple post-processing. Combined with existing lower bounds, our results precisely characterize that $\|X^\star-Π^\star\|_F^2$ transitions from $o(n)$ for $σ= \tilde{o}(n^{-1/2})$ to $Ω(n)$ for $σ= \tildeΩ(n^{-1/2})$. In doing so, our analysis significantly tightens prior results and extends them beyond doubly stochastic relaxations.


翻译:我们研究了相关高斯正交系综(GOE)矩阵的图对齐问题,其目标是从两个相关对称高斯矩阵$(A, B)$(相关系数为$1/\sqrt{1+σ^2}$)中恢复隐藏的顶点置换。虽然最大似然估计在信息论意义上是最优的,但其计算(归结为二次分配问题)是难以处理的。受此启发,我们分析了基于在双随机矩阵集合和单位超立方体上最小化$\|AX - XB\|_F$的凸松弛。我们证明,当相关系数满足$σ= o(n^{-1/2}/\log^4 n)$时,任一松弛的解$(X^\star)$都集中在地面真值置换矩阵$(Π^\star)$附近,即$\|X^\star-Π^\star\|_F^2 = o(n)$,这意味着经简单后处理后,除消失比例的顶点外,其余顶点均可恢复。结合现有下界,我们的结果精确刻画了$\|X^\star-Π^\star\|_F^2$从$σ= \tilde{o}(n^{-1/2})$时的$o(n)$到$σ= \tildeΩ(n^{-1/2})$时的$Ω(n)$的相变。在此过程中,我们的分析显著紧缩了先前结果,并将其推广至双随机松弛之外。

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