Computing the dominant Fourier coefficients of a vector is a common task in many fields, such as signal processing, learning theory, and computational complexity. In the Sparse Fast Fourier Transform (Sparse FFT) problem, one is given oracle access to a $d$-dimensional vector $x$ of size $N$, and is asked to compute the best $k$-term approximation of its Discrete Fourier Transform, quickly and using few samples of the input vector $x$. While the sample complexity of this problem is quite well understood, all previous approaches either suffer from an exponential dependence of runtime on the dimension $d$ or can only tolerate a trivial amount of noise. This is in sharp contrast with the classical FFT algorithm of Cooley and Tukey, which is stable and completely insensitive to the dimension of the input vector: its runtime is $O(N\log N)$ in any dimension $d$. In this work, we introduce a new high-dimensional Sparse FFT toolkit and use it to obtain new algorithms, both on the exact, as well as in the case of bounded $\ell_2$ noise. This toolkit includes i) a new strategy for exploring a pruned FFT computation tree that reduces the cost of filtering, ii) new structural properties of adaptive aliasing filters recently introduced by Kapralov, Velingker and Zandieh'SODA'19, and iii) a novel lazy estimation argument, suited to reducing the cost of estimation in FFT tree-traversal approaches. Our robust algorithm can be viewed as a highly optimized sparse, stable extension of the Cooley-Tukey FFT algorithm. Finally, we explain the barriers we have faced by proving a conditional quadratic lower bound on the running time of the well-studied non-equispaced Fourier transform problem. This resolves a natural and frequently asked question in computational Fourier transforms. Lastly, we provide a preliminary experimental evaluation comparing the runtime of our algorithm to FFTW and SFFT 2.0.


翻译:计算一个矢量的支配性 Fourier 系数是许多领域的共同任务, 比如信号处理、 学习理论和计算复杂性。 在 Sprasser Freier Freier 快速变换( Sparse FFFFT) 问题中, 一个被给予 甲骨文访问 $x美元大小的美元维度矢量的经典 FFFFT 算法, 并且被要求快速地计算其分解 Freier 变换的美元长期近似值的最佳 。 在这项工作中, 我们引入了一个新的高维度 FFFFT 估算工具, 并且使用它来获取新的算法, 无论是在维度上, 美元, 还是只能容忍一小量的噪音。 这与Coloy 和 Tukey 的经典 FFFFT 算法的典型的算法截然不同, 它稳定且完全不敏感: 它的运行时间是 $( N) 在任何维度上, 我们引入了一个新的高维度 FFFFFFT 工具, 的算法的变现一个新的变现, 和我们使用新的算法的变换工具 。

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