captures the complexity of
play

Captures the Complexity of Sampling Edges The Task Given query - PowerPoint PPT Presentation

Talya Eden Dana Ron Will Rosenbaum The Arboricity Captures the Complexity of Sampling Edges The Task Given query access to a graph Design a sublinear algorithm for sampling an edge from a distribution that is pointwise


  1. Talya Eden Dana Ron Will Rosenbaum The Arboricity Captures the Complexity of Sampling Edges

  2. The Task ๏‚จ Given query access to a graph ๐ป ๏‚จ Design a sublinear algorithm for sampling an edge from a distribution that is ๐œ—โˆ’ pointwise close to uniform 1โˆ’๐œ— 1 โˆ€ ๐‘ฃ, ๐‘ค โˆˆ ๐น, Pr ๐‘ฃ, ๐‘ค is returned โˆˆ , ๐‘› ๐‘› ๐‘ฃ 1 w.p. โ‰ˆ G ๐‘› ๐‘ค Sample 1 w.p. โ‰ˆ ๐‘ฆ ๐‘ง Edge ๐‘› w.p. โ‰ˆ 1 ๐‘จ ๐‘› ๐‘ฅ ๐‘› โ€“ sum of degrees

  3. Pointwise vs. Total Variational Distance (TVD) ๐œ— -TVD close: ๐‘ˆ๐‘Š๐ธ ๐‘„, ๐‘… = เท |๐‘„ ๐‘Œ โˆ’ ๐‘…(๐‘Œ)| An ๐œ— -fraction of the edges can be ignored ๐‘ฆ Might be exactly the edges of interest ๐œ— -Pointwise close: Every edge is (almost) equally likely to be the returned edge ๐ป Counting arbitrary subgraphs ๐œ—๐‘› -clique in sublinear time given uniform edge samples [Assadi Kapralov Khanna 19] ๐‘› ๐œ(๐ผ) #๐ผ

  4. The Query Access Model ๏‚จ Vertices are labeled arbitrarily [1..n] ๏‚จ Query access to the graph: G Query ๏‚ค Degree queries on the ๐‘— th vertex Answer ๏‚ค Uniform neighbor queries 1 ๐‘ค ๐‘˜ w.p. ๐‘’(๐‘ค ๐‘— ) ๐‘ค ๐‘— ๐‘’ ๐‘ค ๐‘— = 5 ๐‘’ ๐‘ค ๐‘— =? ๐‘ค ๐‘˜โ€ฒ 1 w.p. ๐‘’(๐‘ค ๐‘— )

  5. Previous results ๏‚จ Sampling an edge almost uniformly [E Rosenbaum 18]: ๐‘› ๐‘ƒ โˆ— ๐‘› โ€“ sum of degrees ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• - avg. degree ๐‘ƒ โˆ— - poly(log ๐‘œ, 1/๐œ—) factors ๐‘› ๏‚จ Lower bound ฮฉ ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• Can we improve for sparse graphs? Yes, for sparse โ€œ everywhere โ€ graphs

  6. Arboricity โ€“ A Measure of Sparseness ๐›ฝ โˆ’ Maximal average degree over all subgraphs ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• (๐ผ) โ‰ค ๐›ฝ โˆ€๐ผ โŠ† ๐ป, If ๐›ฝ is small then: Rich family of graphs No dense subgraphs with bounded arboricity: โ–ก Planar graphs Sparse โ€œ everywhere โ€ โ–ก Excluded-minor graphs โ–ก โ€˜ Real world โ€™ graphs For all graphs, ๐›ฝ โ‰ค โ–ก โ€ฆ ๐‘›

  7. Results Sampling an edge from an ๐œ— -pointwise close to uniform dist.: ๐‘› log 3 ๐‘œ [E Rosenbaum 18] ๐›ฝ ๐‘ƒ โˆ— ๐‘ƒ ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• โ‹… ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• ๐œ—

  8. Results Sampling an edge from an ๐œ— -pointwise close to uniform dist.: ๐’ log 3 ๐‘œ [E Rosenbaum 18] ๐œท ๐‘ƒ โˆ— ๐‘ƒ ๐’† ๐’ƒ๐’˜๐’‰ โ‹… โ‰ค ๐’† ๐’ƒ๐’˜๐’‰ ๐œ— ๐›ฝ โ‰ค ๐‘› Expon Ex onen ential tial imp mproveme ment nt for graphs with constant arboricity ๐›ฝ = ฮ˜(1) ๏‚จ Lower Bounds: ๐›ฝ log ๐‘œ ฮฉ ฮฉ ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• log log ๐‘œ for any graph with for graphs with ๐›ฝ = ฮ˜(1) arboricity ๐‘ƒ(๐›ฝ)

  9. The Task ๏‚จ Given query access to a graph ๐ป ๏‚จ Design a sublinear algorithm for sampling an edge from a distribution that is ๐œ—โˆ’ pointwise close to uniform 1โˆ’๐œ— 1 โˆ€ ๐‘ฃ, ๐‘ค โˆˆ ๐น, Pr ๐‘ฃ, ๐‘ค is returned โˆˆ , ๐‘› ๐‘› ึž 1โˆ’๐œ— ๐’† ๐’˜ ๐’† ๐’˜ โˆ€ ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š, Pr ๐‘ค is returned โˆˆ , ๐‘› ๐‘› Uniform ๐‘ค ๐‘ฃ neighbor โ‰ˆ ๐‘’(๐‘ค) ๐‘’ ๐‘ค = 1 1 โ‹… ๐‘› โ€“ sum of degrees ๐‘› ๐‘›

  10. The Algorithm

  11. The algorithm Sample ple-a-ver ertex ( ๐œท, ๐‘ ) 1. While tru rue: a) ๐‘ค โ† Try-to-sample-a-vertex ( ๐›ฝ, ๐œ— ) b) If succeeded, retu eturn ๐‘ค Try-to-sample-a-vertex ( ๐›ฝ, ๐œ— ): 1 ๐‘’ ๐‘ค Returns each vertex w.p. โ‰ˆ ๐›ฝ or fa fails (for โ„“ = log ๐‘œ, เทค ๐›ฝ โ‰ˆ ๐›ฝ ) โ„“ โ‹… ๐‘œโ‹…เทฅ Total success prob. of a single execution of Try-to-sample: ๐‘’ ๐‘ค ๐‘› โ‰ˆ เท ๐›ฝ = โ„“๐‘œ เทค โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ ๐‘คโˆˆ๐‘Š Expected number of sufficient attempts: โ‹… log 3 ๐‘œ ๐›ฝ โ‰ˆ โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ ๐›ฝ เทค = โ‹… โ„“ ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘• ๐œ— ๐‘› ๐‘’ ๐‘๐‘ค๐‘•

  12. A Relative Decomposition An inductive definition: ๐›ฝโ‹…4๐‘š๐‘๐‘• ๐‘œ ๐œ— , เทฅ ๐›ฝ โ‰ˆ เทค ๐œ— โ‰ˆ ๐œ— log ๐‘œ ๐‘€ 0 = {๐‘ค โˆฃ ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ} ๐‘€ 0

  13. A Relative Decomposition An inductive definition: ๐‘€ โ„“ โ„“ = log ๐‘œ ๐›ฝโ‹…4๐‘š๐‘๐‘• ๐‘œ ๐œ— , เทฅ ๐›ฝ โ‰ˆ เทค ๐œ— โ‰ˆ ๐œ— log ๐‘œ ๐‘€ ๐‘˜ ๐‘€ ๐‘˜ = {๐‘ค โˆ‰ ๐‘€ <๐‘˜ โˆฃ ๐‘’ <๐‘˜ ๐‘ค โ‰ฅ 1 โˆ’ เทฅ ๐œ— ๐‘’(๐‘ค)} ๐‘€ 1 ๐‘€ 1 = {๐‘ค โˆ‰ ๐‘€ 0 โˆฃ ๐‘’ 0 ๐‘ค โ‰ฅ 1 โˆ’ เทฅ ๐œ— ๐‘’(๐‘ค)} ๐‘€ 0 = {๐‘ค โˆฃ ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ} ๐‘€ 0

  14. ๐‘’(๐‘ค) (Try to) Sample a vertex w.p. โ„“โ‹…๐‘œโ‹…เทฅ ๐›ฝ Try-to to-Sam Sampl ple-a-vertex ๐‘€ โ„“ 1. Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 2. ๐‘ค โ† Sa Sampl ple- ๐‘ด ๐Ÿ (if failed abort) 3. Rando dom m wa walk k for ๐‘˜ steps 3. ๐‘€ ๐‘˜ 4. (If returned to ๐‘€ 0 , abort) rn the ๐‘˜ th vertex 5. Retu eturn 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘€ 1 ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. เทฅ ๐›ฝ ๐‘€ 0

  15. Correctness Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. rn the ๐‘˜ th vertex Retu eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐œ— ๐‘˜ ๐‘’(๐‘ค) 1โˆ’เทค Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐‘œโ‹…เทฅ ๐›ฝ

  16. Correctness - ๐‘˜ = 0 Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐‘ค 1 โ„“ โ‹… 1 ๐‘œ โ‹… ๐‘’ ๐‘ค = ๐‘’(๐‘ค) ๐Ÿโˆ’เทค Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ ๐›ฝ เทค โ„“๐‘œ เทค ๐›ฝ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท

  17. Correctness - ๐‘˜ = 0 Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐‘ค ๐Ÿโˆ’เทค ๐‘’(๐‘ค) Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ

  18. Correctness - ๐‘˜ = 1 Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ โ„“ โ‹… ๐‘’ 0 ๐‘ฃ 1 โ‰ฅ (1 โˆ’ ว ๐œ—)๐‘’(๐‘ฃ) 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘œ เทค ๐›ฝ โ„“๐‘œ เทค ๐›ฝ ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘ฃ ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ ๐‘’(๐‘ค) ๐‘’(๐‘ค) = 1 1 ๐›ฝ โ‹… Claim: aim: 1 ๐‘œ เทค ๐‘œ เทค ๐›ฝ 1 1 ๐‘œ เทค ๐›ฝ โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘œ เทค ๐›ฝ 1 ๐‘œ เทค ๐›ฝ ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐‘ค ๐Ÿโˆ’เทค ๐‘œ เทค ๐›ฝ ๐‘’(๐‘ค) Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ

  19. Correctness - ๐‘˜ = 1 Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ (1 โˆ’ ว ๐œ—)๐‘’(๐‘ฃ) 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r โ„“๐‘œ เทค ๐›ฝ ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘ฃ ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐‘ค ๐Ÿโˆ’เทค ๐‘’(๐‘ค) Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ

  20. Correctness - general ๐‘˜ Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. ๐œ— ๐‘˜ ๐‘’(๐‘ฅ) Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 1 โˆ’ ว โ‰ฅ (1 โˆ’ ๐œ—)๐‘’(๐‘ฅ) 3. 3. ๐‘ฅ ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ (1 โˆ’ ว ๐œ—)๐‘’(๐‘ฃ) 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r โ„“๐‘œ เทค ๐›ฝ ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘ฃ ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐‘ค ๐Ÿโˆ’เทค ๐‘’(๐‘ค) Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท โ„“ โ‹… ๐‘œ โ‹… เทค ๐›ฝ

  21. Recap Try-to to-Sa Sample le-a-ver ertex ๐‘€ โ„“ Choose ๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ 1. ๐‘ค โ† ๐‘‡๐‘๐‘›๐‘ž๐‘š๐‘“ โˆ’ ๐‘€ 0 (if failed abor ort) 2. Rando dom m walk k for ๐‘˜ steps 3. 3. ๐‘€ ๐‘˜ If returned to ๐‘€ 0 , abort 4. urn the ๐‘˜ th vertex Ret eturn 5. 5. Sample ple- ๐‘ด ๐Ÿ ๐‘€ 2 1. Choose ๐‘ค โˆˆ ๐‘Š u.a.r ๐‘’(๐‘ค) 2. If ๐‘’ ๐‘ค โ‰ค เทค ๐›ฝ, keep ๐‘ค w.p. ๐‘€ 1 ๐œท เทฅ Claim: aim: โˆ€๐‘˜ โˆˆ 0, โ„“ , โˆ€๐‘ค โˆˆ ๐‘€ ๐‘˜ , ๐‘€ 0 ๐‘ ๐’Œ ๐’†(๐’˜) ๐Ÿโˆ’เทค Pr ๐‘ค is ๐ฌ๐Ÿ๐ฎ๐ฏ๐ฌ๐จ๐Ÿ๐ž โ‰ฅ โ„“โ‹…๐’โ‹…เทฅ ๐œท

Download Presentation
Download Policy: The content available on the website is offered to you 'AS IS' for your personal information and use only. It cannot be commercialized, licensed, or distributed on other websites without prior consent from the author. To download a presentation, simply click this link. If you encounter any difficulties during the download process, it's possible that the publisher has removed the file from their server.

Recommend


More recommend