Detecting change-points in data is challenging because of the range of possible types of change and types of behaviour of data when there is no change. Statistically efficient methods for detecting a change will depend on both of these features, and it can be difficult for a practitioner to develop an appropriate detection method for their application of interest. We show how to automatically generate new detection methods based on training a neural network. Our approach is motivated by many existing tests for the presence of a change-point being able to be represented by a simple neural network, and thus a neural network trained with sufficient data should have performance at least as good as these methods. We present theory that quantifies the error rate for such an approach, and how it depends on the amount of training data. Empirical results show that, even with limited training data, its performance is competitive with the standard CUSUM test for detecting a change in mean when the noise is independent and Gaussian, and can substantially outperform it in the presence of auto-correlated or heavy-tailed noise. Our method also shows strong results in detecting and localising changes in activity based on accelerometer data.

我们建议在线变更点检测的新过程。我们的方法扩展了一个想法，即在变更前和变换后分布之间最大化差异度量。这将导致一个适合参数和非参数场景的灵活过程。我们证明了程序的平均运行长度及其预期的检测延迟。通过关于合成和现实世界数据集的数值实验来说明该算法的效率。

Consider the multivariate nonparametric regression model. It is shown that estimators based on sparsely connected deep neural networks with ReLU activation function and properly chosen network architecture achieve the minimax rates of convergence (up to log nfactors) under a general composition assumption on the regression function. The framework includes many well-studied structural constraints such as (generalized) additive models. While there is a lot of flexibility in the network architecture, the tuning parameter is the sparsity of the network. Specifically, we consider large networks with number of potential network parameters exceeding the sample size. The analysis gives some insights into why multilayer feedforward neural networks perform well in practice. Interestingly, for ReLU activation function the depth (number of layers) of the neural network architectures plays an important role and our theory suggests that for nonparametric regression, scaling the network depth with the sample size is natural. It is also shown that under the composition assumption wavelet estimators can only achieve suboptimal rates.

经典的错误发现率（FDR）控制程序提供了强大而可解释的保证，而它们通常缺乏灵活性。另一方面，最近的机器学习分类算法是基于随机森林（RF）或神经网络（NN）的算法，具有出色的实践表现，但缺乏解释和理论保证。在本文中，我们通过引入新的自适应新颖性检测程序（称为Adadetect）来使这两个相遇。它将多个测试文献的最新作品范围扩展到高维度的范围，尤其是Yang等人的范围。 （2021）。显示AD​​ADETECT既可以强烈控制FDR，又具有在特定意义上模仿甲骨文之一的力量。理论结果，几个基准数据集上的数值实验以及对天体物理数据的应用，我们的方法的兴趣和有效性得到了证明。特别是，虽然可以将AdadEtect与任何分类器结合使用，但它在带有RF的现实世界数据集以及带有NN的图像上特别有效。

在线切换点检测的许多现代应用需要能够处理高频观测，有时有时可用的可用计算资源。用于检测平均值的在线算法通常涉及使用移动窗口，或指定预期的变化大小。这种选择影响哪些改变算法具有最大的功率检测。我们介绍了一种算法，功能在线CUSUM（焦点），其等同于同时为所有大小窗口运行这些早期方法，或者所有可能的变化尺寸的可能值。我们的理论结果为每次迭代的预期计算成本提供紧张的界限，这是在观察人数中的对数。我们展示了如何将焦点应用于均匀场景的许多不同变化，并通过其最先进的性能来展示其在计算机服务器数据中的异常行为时的实用实用性。

我们研究了机器学习（ML）分类技术的误差概率收敛到零的速率的性能。利用大偏差理论，我们为ML分类器提供了数学条件，以表现出误差概率，这些误差概率呈指数级消失，例如$ \ sim \ exp \ left（-n \，i + o（i + o（n）\ right）$，其中$ n $是可用于测试的信息的数量（或其他相关参数，例如图像中目标的大小），而$ i $是错误率。这样的条件取决于数据驱动的决策功能的累积生成功能的Fenchel-Legendre变换（D3F，即，在做出最终二进制决策之前的阈值）在训练阶段中学到的。因此，D3F以及相关的错误率$ $ $取决于给定的训练集，该集合假定有限。有趣的是，可以根据基础统计模型的可用信息生成的可用数据集或合成数据集对这些条件进行验证和测试。换句话说，分类误差概率收敛到零，其速率可以在可用于培训的数据集的一部分上计算。与大偏差理论一致，我们还可以以足够大的$ n $为高斯分布的归一化D3F统计量来确定收敛性。利用此属性设置所需的渐近错误警报概率，从经验上来说，即使对于$ n $的非常现实的值，该属性也是准确的。此外，提供了近似错误概率曲线$ \ sim \ sim \ sim \ sim \ exp \ left（-n \，i \ right）$，这要归功于精制的渐近导数（通常称为精确的渐近学），其中$ \ zeta_n $代表$ \ zeta_n $误差概率的大多数代表性亚指数项。

近似贝叶斯计算（ABC）使复杂模型中的统计推断能够计算，其可能性难以计算，但易于模拟。 ABC通过接受/拒绝机制构建到后部分布的内核类型近似，该机制比较真实和模拟数据的摘要统计信息。为了避免对汇总统计数据的需求，我们直接将经验分布与通过分类获得的Kullback-Leibler（KL）发散估计值进行比较。特别是，我们将灵活的机器学习分类器混合在ABC中以自动化虚假/真实数据比较。我们考虑传统的接受/拒绝内核以及不需要ABC接受阈值的指数加权方案。我们的理论结果表明，我们的ABC后部分布集中在真实参数周围的速率取决于分类器的估计误差。我们得出了限制后形状的结果，并找到了一个正确缩放的指数内核，渐近常态持有。我们展示了我们对模拟示例以及在股票波动率估计的背景下的真实数据的有用性。

我们提出了对学度校正随机块模型（DCSBM）的合适性测试。该测试基于调整后的卡方统计量，用于测量$ n $多项式分布的组之间的平等性，该分布具有$ d_1，\ dots，d_n $观测值。在网络模型的背景下，多项式的数量（$ n $）的数量比观测值数量（$ d_i $）快得多，与节点$ i $的度相对应，因此设置偏离了经典的渐近学。我们表明，只要$ \ {d_i \} $的谐波平均值生长到无穷大，就可以使统计量在NULL下分配。顺序应用时，该测试也可以用于确定社区数量。该测试在邻接矩阵的压缩版本上进行操作，因此在学位上有条件，因此对大型稀疏网络具有高度可扩展性。我们结合了一个新颖的想法，即在测试$ K $社区时根据$（k+1）$ - 社区分配来压缩行。这种方法在不牺牲计算效率的情况下增加了顺序应用中的力量，我们证明了它在恢复社区数量方面的一致性。由于测试统计量不依赖于特定的替代方案，因此其效用超出了顺序测试，可用于同时测试DCSBM家族以外的各种替代方案。特别是，我们证明该测试与具有社区结构的潜在可变性网络模型的一般家庭一致。

我们从统计学习理论的角度调查分类生物神经网络的功能，以简化的设置为具有身份激活功能的连续时间随机经常性神经网络（RNN）。在纯粹的随机（鲁棒）制度中，我们提供了具有高概率的概括误差，从而表明经验风险最低限度是最典型的假设。我们表明RNNS保留了作为攻击培训和分类任务的唯一信息的路径的部分签名。我们认为这些RNNS很容易培训和强大，并在合成和实际数据的数值实验中培训和稳健。我们还在准确性和稳健性之间表现出权衡现象。

我们证明了由例如He等人提出的广泛使用的方法。（2015年）并使用梯度下降对最小二乘损失进行训练并不普遍。具体而言，我们描述了一大批一维数据生成分布，较高的概率下降只会发现优化景观的局部最小值不好，因为它无法将其偏离偏差远离其初始化，以零移动。。事实证明，在这些情况下，即使目标函数是非线性的，发现的网络也基本执行线性回归。我们进一步提供了数值证据，表明在实际情况下，对于某些多维分布而发生这种情况，并且随机梯度下降表现出相似的行为。我们还提供了有关初始化和优化器的选择如何影响这种行为的经验结果。

这项调查的目的是介绍对深神经网络的近似特性的解释性回顾。具体而言，我们旨在了解深神经网络如何以及为什么要优于其他经典线性和非线性近似方法。这项调查包括三章。在第1章中，我们回顾了深层网络及其组成非线性结构的关键思想和概念。我们通过在解决回归和分类问题时将其作为优化问题来形式化神经网络问题。我们简要讨论用于解决优化问题的随机梯度下降算法以及用于解决优化问题的后传播公式，并解决了与神经网络性能相关的一些问题，包括选择激活功能，成本功能，过度适应问题和正则化。在第2章中，我们将重点转移到神经网络的近似理论上。我们首先介绍多项式近似中的密度概念，尤其是研究实现连续函数的Stone-WeierStrass定理。然后，在线性近似的框架内，我们回顾了馈电网络的密度和收敛速率的一些经典结果，然后在近似Sobolev函数中进行有关深网络复杂性的最新发展。在第3章中，利用非线性近似理论，我们进一步详细介绍了深度和近似网络与其他经典非线性近似方法相比的近似优势。

我们提出了一种估计具有标称分类数据的高维线性模型的方法。我们的估算器，称为范围，通过使其相应的系数完全相等来融合水平。这是通过对分类变量的系数的阶数统计之间的差异之间的差异来实现这一点，从而聚类系数。我们提供了一种算法，用于精确和有效地计算在具有潜在许多级别的单个变量的情况下的总体上的最小值的全局最小值，并且在多变量情况下在块坐标血管下降过程中使用它。我们表明，利用未知级别融合的Oracle最小二乘解决方案是具有高概率的坐标血缘的极限点，只要真正的级别具有一定的最小分离;已知这些条件在单变量案例中最小。我们展示了在一系列实际和模拟数据集中的范围的有利性能。 R包的R包Catreg实现线性模型的范围，也可以在CRAN上提供逻辑回归的版本。

神经网络最近显示出对无似然推理的希望，从而为经典方法提供了魔力的速度。但是，当从独立重复估计参数时，当前的实现是次优的。在本文中，我们使用决策理论框架来争辩说，如果这些模型的模拟很简单，则理想地放置了置换不变的神经网络，可用于为任意模型构造贝叶斯估计器。我们说明了这些估计量在传统空间模型以及高度参数化的空间发射模型上的潜力，并表明它们在其网络设计中不适当地说明复制的神经估计量相当大。同时，它们比基于传统可能性的估计量具有很高的竞争力和更快的速度。我们将估计量应用于红海中海面温度的空间分析，在训练之后，我们获得参数估计值，并通过引导采样对估计值进行不确定性定量，从一秒钟的数百个空间场中获取。

专家（MOE）的混合是一种流行的统计和机器学习模型，由于其灵活性和效率，多年来一直引起关注。在这项工作中，我们将高斯门控的局部MOE（GLOME）和块对基因协方差局部MOE（Blome）回归模型在异质数据中呈现非线性关系，并在高维预测变量之间具有潜在的隐藏图形结构相互作用。这些模型从计算和理论角度提出了困难的统计估计和模型选择问题。本文致力于研究以混合成分数量，高斯平均专家的复杂性以及协方差矩阵的隐藏块 - 基因结构为特征的Glome或Blome模型集合中的模型选择问题。惩罚最大似然估计框架。特别是，我们建立了以弱甲骨文不平等的形式的非反应风险界限，但前提是罚款的下限。然后，在合成和真实数据集上证明了我们的模型的良好经验行为。

监督字典学习（SDL）是一种经典的机器学习方法，同时寻求特征提取和分类任务，不一定是先验的目标。 SDL的目的是学习类歧视性词典，这是一组潜在特征向量，可以很好地解释特征以及观察到的数据的标签。在本文中，我们提供了SDL的系统研究，包括SDL的理论，算法和应用。首先，我们提供了一个新颖的框架，该框架将“提升” SDL作为组合因子空间中的凸问题，并提出了一种低级别的投影梯度下降算法，该算法将指数成倍收敛于目标的全局最小化器。我们还制定了SDL的生成模型，并根据高参数制度提供真实参数的全局估计保证。其次，我们被视为一个非convex约束优化问题，我们为SDL提供了有效的块坐标下降算法，该算法可以保证在$ O（\ varepsilon^{ - 1}（\ log）中找到$ \ varepsilon $ - 定位点（\ varepsilon \ varepsilon^{ - 1}）^{2}）$ iterations。对于相应的生成模型，我们为受约束和正则化的最大似然估计问题建立了一种新型的非反应局部一致性结果，这可能是独立的。第三，我们将SDL应用于监督主题建模和胸部X射线图像中的肺炎检测中，以进行不平衡的文档分类。我们还提供了模拟研究，以证明当最佳的重建性和最佳判别词典之间存在差异时，SDL变得更加有效。

预测一组结果 - 而不是独特的结果 - 是统计学习中不确定性定量的有前途的解决方案。尽管有关于构建具有统计保证的预测集的丰富文献，但适应未知的协变量转变（实践中普遍存在的问题）还是一个严重的未解决的挑战。在本文中，我们表明具有有限样本覆盖范围保证的预测集是非信息性的，并提出了一种新型的无灵活分配方法PredSet-1Step，以有效地构建了在未知协方差转移下具有渐近覆盖范围保证的预测集。我们正式表明我们的方法是\ textIt {渐近上可能是近似正确}，对大型样本的置信度有很好的覆盖误差。我们说明，在南非队列研究中，它在许多实验和有关HIV风险预测的数据集中实现了名义覆盖范围。我们的理论取决于基于一般渐近线性估计器的WALD置信区间覆盖范围的融合率的新结合。

The fundamental learning theory behind neural networks remains largely open. What classes of functions can neural networks actually learn? Why doesn't the trained network overfit when it is overparameterized?In this work, we prove that overparameterized neural networks can learn some notable concept classes, including two and three-layer networks with fewer parameters and smooth activations. Moreover, the learning can be simply done by SGD (stochastic gradient descent) or its variants in polynomial time using polynomially many samples. The sample complexity can also be almost independent of the number of parameters in the network.On the technique side, our analysis goes beyond the so-called NTK (neural tangent kernel) linearization of neural networks in prior works. We establish a new notion of quadratic approximation of the neural network (that can be viewed as a second-order variant of NTK), and connect it to the SGD theory of escaping saddle points.

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

协方差估计在功能数据分析中普遍存在。然而，对多维域的功能观测的情况引入了计算和统计挑战，使标准方法有效地不适用。为了解决这个问题，我们将“协方差网络”（CoVNet）介绍为建模和估算工具。 Covnet模型是“Universal” - 它可用于近似于达到所需精度的任何协方差。此外，该模型可以有效地拟合到数据，其神经网络架构允许我们在实现中采用现代计算工具。 Covnet模型还承认了一个封闭形式的实体分解，可以有效地计算，而不构建协方差本身。这有助于在CoVnet的背景下轻松存储和随后操纵协方差。我们建立了拟议估计者的一致性，得出了汇合速度。通过广泛的仿真研究和休息状态FMRI数据的应用，证明了所提出的方法的有用性。

This paper investigates the stability of deep ReLU neural networks for nonparametric regression under the assumption that the noise has only a finite p-th moment. We unveil how the optimal rate of convergence depends on p, the degree of smoothness and the intrinsic dimension in a class of nonparametric regression functions with hierarchical composition structure when both the adaptive Huber loss and deep ReLU neural networks are used. This optimal rate of convergence cannot be obtained by the ordinary least squares but can be achieved by the Huber loss with a properly chosen parameter that adapts to the sample size, smoothness, and moment parameters. A concentration inequality for the adaptive Huber ReLU neural network estimators with allowable optimization errors is also derived. To establish a matching lower bound within the class of neural network estimators using the Huber loss, we employ a different strategy from the traditional route: constructing a deep ReLU network estimator that has a better empirical loss than the true function and the difference between these two functions furnishes a low bound. This step is related to the Huberization bias, yet more critically to the approximability of deep ReLU networks. As a result, we also contribute some new results on the approximation theory of deep ReLU neural networks.