Many streaming algorithms provide only a high-probability relative approximation. These two relaxations, of allowing approximation and randomization, seem necessary -- for many streaming problems, both relaxations must be employed simultaneously, to avoid an exponentially larger (and often trivial) space complexity. A common drawback of these randomized approximate algorithms is that independent executions on the same input have different outputs, that depend on their random coins. Pseudo-deterministic algorithms combat this issue, and for every input, they output with high probability the same ``canonical'' solution. We consider perhaps the most basic problem in data streams, of counting the number of items in a stream of length at most $n$. Morris's counter [CACM, 1978] is a randomized approximation algorithm for this problem that uses $O(\log\log n)$ bits of space, for every fixed approximation factor (greater than $1$). Goldwasser, Grossman, Mohanty and Woodruff [ITCS 2020] asked whether pseudo-deterministic approximation algorithms can match this space complexity. Our main result answers their question negatively, and shows that such algorithms must use $\Omega(\sqrt{\log n / \log\log n})$ bits of space. Our approach is based on a problem that we call Shift Finding, and may be of independent interest. In this problem, one has query access to a shifted version of a known string $F\in\{0,1\}^{3n}$, which is guaranteed to start with $n$ zeros and end with $n$ ones, and the goal is to find the unknown shift using a small number of queries. We provide for this problem an algorithm that uses $O(\sqrt{n})$ queries. It remains open whether $poly(\log n)$ queries suffice; if true, then our techniques immediately imply a nearly-tight $\Omega(\log n/\log\log n)$ space bound for pseudo-deterministic approximate counting.


翻译:许多流式算法仅提供高概率的相对近似。这两种松弛(允许近似和随机化)似乎是必要的——对于许多流式问题,必须同时采用这两种松弛,以避免指数级更大的(且通常平凡的)空间复杂度。这些随机近似算法的一个常见缺陷是,在同一输入上的独立执行会产生不同的输出,这些输出依赖于它们的随机硬币。伪确定性算法解决了这一问题,对于每个输入,它们以高概率输出相同的“标准”解。我们考虑数据流中最基本的问题之一,即统计长度至多为$n$的流中项目的数量。Morris计数器[CACM, 1978]是解决该问题的随机近似算法,对于任意固定的近似因子(大于1),它使用$O(\log\log n)$比特的空间。Goldwasser、Grossman、Mohanty和Woodruff [ITCS 2020] 询问伪确定性近似算法是否能匹配这种空间复杂度。我们的主要结果否定了他们的提问,并表明此类算法必须使用$\Omega(\sqrt{\log n / \log\log n})$比特的空间。我们的方法基于一个我们称之为移位查找的问题,该问题可能具有独立的研究意义。在该问题中,可以查询已知字符串$F\in\{0,1\}^{3n}$的移位版本,该版本保证以$n$个零开头并以$n$个一结尾,目标是通过少量查询找到未知的移位。我们为此问题提供了一个使用$O(\sqrt{n})$次查询的算法。$poly(\log n)$次查询是否足够这一问题仍未解决;如果成立,那么我们的技术将立即得出伪确定性近似计数的接近紧致的$\Omega(\log n/\log\log n)$空间下界。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+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
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月30日
VIP会员
最新内容
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
1+阅读 · 今天7:44
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
1+阅读 · 今天7:28
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
3+阅读 · 今天7:18
军事欺骗:供作战战术指挥官使用的工具
专知会员服务
2+阅读 · 今天7:03
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
4+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
10+阅读 · 6月23日
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
5+阅读 · 6月23日
相关VIP内容
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
专知会员服务
52+阅读 · 2020年12月14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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
105+阅读 · 2019年10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
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
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 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员