Much of the literature on differential privacy focuses on item-level privacy, where loosely speaking, the goal is to provide privacy per item or training example. However, recently many practical applications such as federated learning require preserving privacy for all items of a single user, which is much harder to achieve. Therefore understanding the theoretical limit of user-level privacy becomes crucial. We study the fundamental problem of learning discrete distributions over $k$ symbols with user-level differential privacy. If each user has $m$ samples, we show that straightforward applications of Laplace or Gaussian mechanisms require the number of users to be $\mathcal{O}(k/(m\alpha^2) + k/\epsilon\alpha)$ to achieve an $\ell_1$ distance of $\alpha$ between the true and estimated distributions, with the privacy-induced penalty $k/\epsilon\alpha$ independent of the number of samples per user $m$. Moreover, we show that any mechanism that only operates on the final aggregate counts should require a user complexity of the same order. We then propose a mechanism such that the number of users scales as $\tilde{\mathcal{O}}(k/(m\alpha^2) + k/\sqrt{m}\epsilon\alpha)$ and hence the privacy penalty is $\tilde{\Theta}(\sqrt{m})$ times smaller compared to the standard mechanisms in certain settings of interest. We further show that the proposed mechanism is nearly-optimal under certain regimes. We also propose general techniques for obtaining lower bounds on restricted differentially private estimators and a lower bound on the total variation between binomial distributions, both of which might be of independent interest.


翻译:有关不同隐私的文献大多侧重于项目层面的隐私, 简略地说, 目标是为每个项目提供隐私或培训示例。 然而, 最近许多实际应用, 如联邦学习等, 需要为单一用户的所有项目维护隐私, 而这要难得多。 因此理解用户层面隐私的理论限制变得至关重要 。 我们研究在用户层面差异隐私中学习以k美元为单位的符号进行离散分配的基本问题 。 如果每个用户都有 $ 的样本, 我们则显示 Laplace 或 Gausian 机制的简单应用要求用户数量为$\ mathal{O} (k/ (m\alphara}2) + k/\\ epsilon\ alpha) 。 我们然后提议一个机制, 在真实和估计分布之间, $k/ eqal_\\ palxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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