Multimarginal Optimal Transport (MOT) has attracted significant interest due to applications in machine learning, statistics, and the sciences. However, in most applications, the success of MOT is severely limited by a lack of efficient algorithms. Indeed, MOT in general requires exponential time in the number of marginals k and their support sizes n. This paper develops a general theory about what "structure" makes MOT solvable in poly(n,k) time. We develop a unified algorithmic framework for solving MOT in poly(n,k) time by characterizing the "structure" that different algorithms require in terms of simple variants of the dual feasibility oracle. This framework has several benefits. First, it enables us to show that the Sinkhorn algorithm, which is currently the most popular MOT algorithm, requires strictly more structure than other algorithms do to solve MOT in poly(n,k) time. Second, our framework makes it much simpler to develop poly(n,k) time algorithms for a given MOT problem. In particular, it is necessary and sufficient to (approximately) solve the dual feasibility oracle -- which is much more amenable to standard algorithmic techniques. We illustrate this ease-of-use by developing poly(n,k) time algorithms for three general classes of MOT cost structures: (1) graphical structure; (2) set-optimization structure; and (3) low-rank plus sparse structure. For structure (1), we recover the known result that Sinkhorn has poly(n,k) runtime; moreover, we provide the first poly(n,k) time algorithms for computing solutions that are exact and sparse. For structures (2)-(3), we give the first poly(n,k) time algorithms, even for approximate computation. Together, these three structures encompass many -- if not most -- current applications of MOT.


翻译:多边形最佳运输(MOT) 已经吸引了巨大的兴趣, 原因是在机器学习、 统计和科学方面的应用。 但是, 在大多数应用中, MOT的成功严重受缺乏高效算法的制约。 事实上, MOT 通常需要边际 k 及其支持大小的指数时间 。 本文开发了一个关于“ 结构” 如何使 MOT 在 聚( n, k) 时间中可以溶解 MOT 的通用理论。 我们开发了一个统一的算法框架, 用来在 IP (n, k) 时间里解决 MOT 的 mOT 问题。 我们用不同的算法来描述“ 结构”, 而不是在 双轨可行性或触摸中简单变量。 首先, 我们有必要而且足够地( ) 解决双轨化结构的 Sinkhornhorn, 这是目前最流行的算法结构, 它比其他算法要严格得多 。 。 我们的框架可以简单化 。 对于 MI (n, liver) 这样的解算算算算算算算算算出 。

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