Tensor PCA is a stylized statistical inference problem introduced by Montanari and Richard to study the computational difficulty of estimating an unknown parameter from higher-order moment tensors. Unlike its matrix counterpart, Tensor PCA exhibits a statistical-computational gap, i.e., a sample size regime where the problem is information-theoretically solvable but conjectured to be computationally hard. This paper derives computational lower bounds on the run-time of memory bounded algorithms for Tensor PCA using communication complexity. These lower bounds specify a trade-off among the number of passes through the data sample, the sample size, and the memory required by any algorithm that successfully solves Tensor PCA. While the lower bounds do not rule out polynomial-time algorithms, they do imply that many commonly-used algorithms, such as gradient descent and power method, must have a higher iteration count when the sample size is not large enough. Similar lower bounds are obtained for Non-Gaussian Component Analysis, a family of statistical estimation problems in which low-order moment tensors carry no information about the unknown parameter. Finally, stronger lower bounds are obtained for an asymmetric variant of Tensor PCA and related statistical estimation problems. These results explain why many estimators for these problems use a memory state that is significantly larger than the effective dimensionality of the parameter of interest.


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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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