Query lower bounds for log-concave sampling

Log-concave sampling has witnessed remarkable algorithmic advances in recent years, but the corresponding problem of proving lower bounds for this task has remained elusive, with lower bounds previously known only in dimension one. In this work, we establish the following query lower bounds: (1) sampling from strongly log-concave and log-smooth distributions in dimension $d\ge 2$ requires $\Omega(\log \kappa)$ queries, which is sharp in any constant dimension, and (2) sampling from Gaussians in dimension $d$ (hence also from general log-concave and log-smooth distributions in dimension $d$) requires $\widetilde \Omega(\min(\sqrt\kappa \log d, d))$ queries, which is nearly sharp for the class of Gaussians. Here $\kappa$ denotes the condition number of the target distribution. Our proofs rely upon (1) a multiscale construction inspired by work on the Kakeya conjecture in harmonic analysis, and (2) a novel reduction that demonstrates that block Krylov algorithms are optimal for this problem, as well as connections to lower bound techniques based on Wishart matrices developed in the matrix-vector query literature.Comment: 46 pages, 2 figure

Deformable shape matching

Deformable shape matching has become an important building block in academia as well as in industry. Given two three dimensional shapes A and B the deformation function f aligning A with B has to be found. The function is discretized by a set of corresponding point pairs. Unfortunately, the computation cost of a brute-force search of correspondences is exponential. Additionally, to be of any practical use the algorithm has to be able to deal with data coming directly from 3D scanner devices which suffers from acquisition problems like noise, holes as well as missing any information about topology. This dissertation presents novel solutions for solving shape matching: First, an algorithm estimating correspondences using a randomized search strategy is shown. Additionally, a planning step dramatically reducing the matching costs is incorporated. Using ideas of these both contributions, a method for matching multiple shapes at once is shown. The method facilitates the reconstruction of shape and motion from noisy data acquired with dynamic 3D scanners. Considering shape matching from another perspective a solution is shown using Markov Random Fields (MRF). Formulated as MRF, partial as well as full matches of a shape can be found. Here, belief propagation is utilized for inference computation in the MRF. Finally, an approach significantly reducing the space-time complexity of belief propagation for a wide spectrum of computer vision tasks is presented.Anpassung deformierbarer Formen ist zu einem wichtigen Baustein in der akademischen Welt sowie in der Industrie geworden. Gegeben zwei dreidimensionale Formen A und B, suchen wir nach einer Verformungsfunktion f, die die Deformation von A auf B abbildet. Die Funktion f wird durch eine Menge von korrespondierenden Punktepaaren diskretisiert. Leider sind die Berechnungskosten für eine Brute-Force-Suche dieser Korrespondenzen exponentiell. Um zusätzlich von einem praktischen Nutzen zu sein, muss der Suchalgorithmus in der Lage sein, mit Daten, die direkt aus 3D-Scanner kommen, umzugehen. Bedauerlicherweise leiden diese Daten unter Akquisitionsproblemen wie Rauschen, Löcher sowie fehlender Topologieinformation. In dieser Dissertation werden neue Lösungen für das Problem der Formanpassung präsentiert. Als erstes wird ein Algorithmus gezeigt, der die Korrespondenzen mittels einer randomisierten Suchstrategie schätzt. Zusätzlich wird anhand eines automatisch berechneten Schätzplanes die Geschwindigkeit der Suchstrategie verbessert. Danach wird ein Verfahren gezeigt, dass die Anpassung mehrerer Formen gleichzeitig bewerkstelligen kann. Diese Methode ermöglicht es, die Bewegung, sowie die eigentliche Struktur des Objektes aus verrauschten Daten, die mittels dynamischer 3D-Scanner aufgenommen wurden, zu rekonstruieren. Darauffolgend wird das Problem der Formanpassung aus einer anderen Perspektive betrachtet und als Markov-Netzwerk (MRF) reformuliert. Dieses ermöglicht es, die Formen auch stückweise aufeinander abzubilden. Die eigentliche Lösung wird mittels Belief Propagation berechnet. Schließlich wird ein Ansatz gezeigt, der die Speicher-Zeit-Komplexität von Belief Propagation für ein breites Spektrum von Computer-Vision Problemen erheblich reduziert