Higher order random walks (HD-walks) on high dimensional expanders (HDX) have seen an incredible amount of study and application since their introduction by Kaufman and Mass [KM16], yet their broader combinatorial and spectral properties remain poorly understood. We develop a combinatorial characterization of the spectral structure of HD-walks on two-sided local-spectral expanders [DK17], which offer a broad generalization of the well-studied Johnson and Grassmann graphs. Our characterization, which shows that the spectra of HD-walks lie tightly concentrated in a few combinatorially structured strips, leads to novel structural theorems such as a tight $\ell_2$-characterization of edge-expansion, as well as to a new understanding of local-to-global algorithms on HDX. Towards the latter, we introduce a spectral complexity measure called Stripped Threshold Rank, and show how it can replace the (much larger) threshold rank in controlling the performance of algorithms on structured objects. Combined with a sum-of-squares proof of the former $\ell_2$-characterization, we give a concrete application of this framework to algorithms for unique games on HD-walks, in many cases improving the state of the art [RBS11, ABS15] from nearly-exponential to polynomial time (e.g. for sparsifications of Johnson graphs or of slices of the $q$-ary hypercube). Our characterization of expansion also holds an interesting connection to hardness of approximation, where an $\ell_\infty$-variant for the Grassmann graphs was recently used to resolve the 2-2 Games Conjecture [KMS18]. We give a reduction from a related $\ell_\infty$-variant to our $\ell_2$-characterization, but it loses factors in the regime of interest for hardness where the gap between $\ell_2$ and $\ell_\infty$ structure is large. Nevertheless, we open the door for further work on the use of HDX in hardness of approximation and unique games.


翻译:在高维扩展器(HDX)上,更高顺序的随机行走(HD-walks)自Kaufman和Mass[KM16]推出以来,已经目睹了令人难以置信的研究和应用量,然而,它们更广泛的组合和光谱属性仍然不为人所理解。我们在双向本地光谱扩展器(DK17)上,对HD-行行行的光谱结构进行了组合式定性,这为深层次的Johnson和Grassmann图解提供了广泛的光谱化。我们的特征显示,HD-行行的光谱紧紧集中在少数组合式结构化的条纹上,导致新的结构性理论,例如紧紧的 $\ell_2美元对精度的解析和光谱特性,以及对于HDX的双面光谱学结构,我们引入了一种叫分红色的分解分解分解器,但显示它在控制结构物体上更深层次的值(更大)的分级值。加之,在Oal-al-al-al-al-al-aldealational-al-al-al-alationalizalationalationalisalislation lifin list dutislislation,我们使用了多少一个硬化的硬化的硬化的硬化的值结构。

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