在本文中，我们在不同研究领域使用的三种模型之间存在联系：来自正式语言和语言学的加权有限自动机〜（WFA），机器学习中使用的经常性神经网络，以及张量网络，包括一组高处的优化技术量子物理学和数值分析中使用的顺序张量。我们首先介绍WFA与张力列车分解，特定形式的张量网络之间的内在关系。该关系允许我们展示由WFA计算的函数的Hankel矩阵的新型低级结构，并设计利用这种结构的有效光谱学习算法来扩展到非常大的Hankel矩阵。我们将解开基本连接在WFA和第二阶逆转神经网络之间〜（2-RNN）：在离散符号的序列的情况下，具有线性激活功能的WFA和2-RNN是表现性的。利用该等效结果与加权自动机的经典频谱学习算法相结合，我们介绍了在连续输入向量序列上定义的线性2-RNN的第一可提供学习算法。本算法依赖于Hankel Tensor的低等级子块，可以从中可以从中恢复线性2-RNN的参数。在综合性和现实世界数据的仿真研究中评估了所提出的学习算法的性能。

加权有限自动机（WFA）已广泛应用于许多领域。 WFA的经典问题之一是对离散符号序列的概率分布估计。尽管已扩展了WFA以处理连续输入数据，即连续WFA（CWFA），但由于使用基于WFA的模型，如何将密度函数近似于连续随机变量的序列，这是由于限制了模型的表现。以及通过CWFA的近似密度函数的障碍性。在本文中，我们提出了对CWFA模型的非线性扩展，以提高其表现力，我们将其称为非线性连续WFA（NCWFAS）。然后，我们利用所谓的RNADE方法，该方法是基于神经网络的众所周知的密度估计器，并提出了RNADE-NCWFA模型。 RNADE-NCWFA模型通过设计计算密度函数。我们表明，该模型比CWFA无法近似的高斯HMM模型严格表现得更具表现力。从经验上讲，我们使用高斯HMM生成的数据进行了合成实验。我们专注于评估模型估计长度序列的密度（长度长于训练数据）的能力。我们观察到我们的模型在比较基线方法中表现最好。

A simple nonrecursive form of the tensor decomposition in d dimensions is presented. It does not inherently suffer from the curse of dimensionality, it has asymptotically the same number of parameters as the canonical decomposition, but it is stable and its computation is based on lowrank approximation of auxiliary unfolding matrices. The new form gives a clear and convenient way to implement all basic operations efficiently. A fast rounding procedure is presented, as well as basic linear algebra operations. Examples showing the benefits of the decomposition are given, and the efficiency is demonstrated by the computation of the smallest eigenvalue of a 19-dimensional operator.

我们使用张量奇异值分解（T-SVD）代数框架提出了一种新的快速流算法，用于抵抗缺失的低管级张量的缺失条目。我们展示T-SVD是三阶张量的研究型块术语分解的专业化，我们在该模型下呈现了一种算法，可以跟踪从不完全流2-D数据的可自由子模块。所提出的算法使用来自子空间的基层歧管的增量梯度下降的原理，以解决线性复杂度和时间样本的恒定存储器的张量完成问题。我们为我们的算法提供了局部预期的线性收敛结果。我们的经验结果在精确态度上具有竞争力，但在计算时间内比实际应用上的最先进的张量完成算法更快，以在有限的采样下恢复时间化疗和MRI数据。

在本文中，我们提出了一个基于树张量网状状态的密度估计框架。所提出的方法包括使用Chow-Liu算法确定树拓扑，并获得线性系统通过草图技术定义张量 - 网络组件的线性系统。开发了草图功能的新颖选择，以考虑包含循环的图形模型。提供样品复杂性保证，并通过数值实验进一步证实。

张量火车的分解因其高维张量的简洁表示，因此在机器学习和量子物理学中广泛使用，克服了维度的诅咒。交叉近似 - 从近似形式开发用于从一组选定的行和列中表示矩阵，这是一种有效的方法，用于构建来自其少数条目的张量的张量列器分解。虽然张量列车交叉近似在实际应用中取得了显着的性能，但迄今为止缺乏其理论分析，尤其是在近似误差方面的理论分析。据我们所知，现有结果仅提供元素近似精度的保证，这会导致扩展到整个张量时的束缚非常松。在本文中，我们通过提供精确测量和嘈杂测量的整个张量来保证准确性来弥合这一差距。我们的结果说明了选定子观察器的选择如何影响交叉近似的质量，并且模型误差和/或测量误差引起的近似误差可能不会随着张量的顺序而指数增长。这些结果通过数值实验来验证，并且可能对高阶张量的交叉近似值（例如在量子多体状态的描述中遇到的）具有重要意义。

许多数值优化技术的收敛性对提供给求解器的初始猜测高度敏感。我们提出了一种基于张量方法的方法，以初始化靠近全局Optima的现有优化求解器。该方法仅使用成本函数的定义，不需要访问任何良好解决方案的数据库。我们首先将成本函数（这是任务参数和优化变量的函数）转换为概率密度函数。与将任务参数设置为常数的现有方法不同，我们将它们视为另一组随机变量，并使用替代概率模型近似任务参数的关节概率分布和优化变量。对于给定的任务，我们就给定的任务参数从条件分布中生成样本，并将其用作优化求解器的初始化。由于调节和来自任意密度函数的调节和采样具有挑战性，因此我们使用张量列车分解来获得替代概率模型，我们可以从中有效地获得条件模型和样品。该方法可以为给定任务产生来自不同模式的多个解决方案。我们首先通过将其应用于各种具有挑战性的基准函数来评估该方法以进行数值优化，这些功能很难使用基于梯度的优化求解器以幼稚的初始化来求解，这表明所提出的方法可以生成靠近全局优化的样品，并且来自多种模式。 。然后，我们通过将所提出的方法应用于7-DOF操纵器来证明框架的通用性及其与机器人技术的相关性。

最近已证明不变性在机器学习模型中是强大的归纳偏见。这样的一类预测模型是张量网络。我们引入了一种新的数值算法来构建在任意离散组的正常矩阵表示的作用下不变的张量的基础。该方法的数量级可以比以前的方法快几个数量级。然后将组不变的张量合并为一个组不变张量火车网络，该网络可用作监督机器学习模型。考虑到特定于问题的不知道，我们将该模型应用于蛋白质结合分类问题，并根据最新的深度学习方法获得了预测准确性。

This work considers a computationally and statistically efficient parameter estimation method for a wide class of latent variable models-including Gaussian mixture models, hidden Markov models, and latent Dirichlet allocation-which exploits a certain tensor structure in their low-order observable moments (typically, of second-and third-order). Specifically, parameter estimation is reduced to the problem of extracting a certain (orthogonal) decomposition of a symmetric tensor derived from the moments; this decomposition can be viewed as a natural generalization of the singular value decomposition for matrices. Although tensor decompositions are generally intractable to compute, the decomposition of these specially structured tensors can be efficiently obtained by a variety of approaches, including power iterations and maximization approaches (similar to the case of matrices). A detailed analysis of a robust tensor power method is provided, establishing an analogue of Wedin's perturbation theorem for the singular vectors of matrices. This implies a robust and computationally tractable estimation approach for several popular latent variable models.

kronecker回归是一个高度结构的最小二乘问题$ \ min _ {\ mathbf {x}}} \ lvert \ mathbf {k} \ mathbf {x} - \ mathbf {b} \ rvert_ \ rvert_ {2}^2 $矩阵$ \ mathbf {k} = \ mathbf {a}^{（1）} \ otimes \ cdots \ cdots \ otimes \ mathbf {a}^{（n）} $是因子矩阵的Kronecker产品。这种回归问题是在广泛使用的最小二乘（ALS）算法的每个步骤中都出现的，用于计算张量的塔克分解。我们介绍了第一个用于求解Kronecker回归的子次数算法，以避免在运行时间中避免指数项$ o（\ varepsilon^{ - n}）$的$（1+ \ varepsilon）$。我们的技术结合了利用分数抽样和迭代方法。通过扩展我们对一个块是Kronecker产品的块设计矩阵的方法，我们还实现了（1）Kronecker Ridge回归的亚次级时间算法，并且（2）更新ALS中Tucker分解的因子矩阵，这不是一个不是一个纯Kronecker回归问题，从而改善了Tucker ALS的所有步骤的运行时间。我们证明了该Kronecker回归算法在合成数据和现实世界图像张量上的速度和准确性。

我们研究了用$ q $ modes $ a \ in \ mathbb {r}^{n \ times \ ldots \ times n} $的近似给定张量的问题。图$ g =（v，e）$，其中$ | v | = q $，以及张张量的集合$ \ {u_v \ mid v \ in v \} $，以$ g $指定的方式收缩以获取张量$ t $。对于$ u_v $的每种模式，对应于$ v $的边缘事件，尺寸为$ k $，我们希望找到$ u_v $，以便最小化$ t $和$ a $之间的frobenius norm距离。这概括了许多众所周知的张量网络分解，例如张量列，张量环，塔克和PEPS分解。我们大约是二进制树网络$ t'$带有$ o（q）$核的大约$ a $，因此该网络的每个边缘上的尺寸最多是$ \ widetilde {o}（k^{o（dt） } \ cdot q/\ varepsilon）$，其中$ d $是$ g $的最大度，$ t $是其树宽，因此$ \ | a -t'-t'\ | _f^2 \ leq（1 + \ Varepsilon）\ | a -t \ | _f^2 $。我们算法的运行时间为$ o（q \ cdot \ text {nnz}（a）） + n \ cdot \ text {poly}（k^{dt} q/\ varepsilon）$，其中$ \ text {nnz }（a）$是$ a $的非零条目的数量。我们的算法基于一种可能具有独立感兴趣的张量分解的新维度降低技术。我们还开发了固定参数可处理的$（1 + \ varepsilon）$ - 用于张量火车和塔克分解的近似算法，改善了歌曲的运行时间，Woodruff和Zhong（Soda，2019），并避免使用通用多项式系统求解器。我们表明，我们的算法对$ 1/\ varepsilon $具有几乎最佳的依赖性，假设没有$ O（1）$ - 近似算法的$ 2 \至4 $ norm，并且运行时间比蛮力更好。最后，我们通过可靠的损失函数和固定参数可拖动CP分解给出了塔克分解的其他结果。

为了在深度学习中解释隐性正则化时，给予了矩阵和张量因子化的突出重点，这与简化的神经网络相对应。结果表明，这些模型分别表现出对低基质和张量排名的隐式趋势。当前的论文理论上绘制了更接近实际的深度学习，从理论上分析了分层张分解中的隐式正则化，该模型等同于某些深卷积神经网络。通过动态系统镜头，我们克服了与层次结构相关的挑战，并建立了对低层次张量级别的隐性正则化。这转化为相关卷积网络对区域的隐性正则化。受我们的理论的启发，我们设计了明确的正则化，阻碍了区域性，并证明了其在需要建筑变化的传统智慧的情况下，可以改善现代卷积网络在非本地任务上的性能。我们的工作突出了通过对其隐式正则化的理论分析来增强神经网络的潜力。

We consider the nonlinear inverse problem of learning a transition operator $\mathbf{A}$ from partial observations at different times, in particular from sparse observations of entries of its powers $\mathbf{A},\mathbf{A}^2,\cdots,\mathbf{A}^{T}$. This Spatio-Temporal Transition Operator Recovery problem is motivated by the recent interest in learning time-varying graph signals that are driven by graph operators depending on the underlying graph topology. We address the nonlinearity of the problem by embedding it into a higher-dimensional space of suitable block-Hankel matrices, where it becomes a low-rank matrix completion problem, even if $\mathbf{A}$ is of full rank. For both a uniform and an adaptive random space-time sampling model, we quantify the recoverability of the transition operator via suitable measures of incoherence of these block-Hankel embedding matrices. For graph transition operators these measures of incoherence depend on the interplay between the dynamics and the graph topology. We develop a suitable non-convex iterative reweighted least squares (IRLS) algorithm, establish its quadratic local convergence, and show that, in optimal scenarios, no more than $\mathcal{O}(rn \log(nT))$ space-time samples are sufficient to ensure accurate recovery of a rank-$r$ operator $\mathbf{A}$ of size $n \times n$. This establishes that spatial samples can be substituted by a comparable number of space-time samples. We provide an efficient implementation of the proposed IRLS algorithm with space complexity of order $O(r n T)$ and per-iteration time complexity linear in $n$. Numerical experiments for transition operators based on several graph models confirm that the theoretical findings accurately track empirical phase transitions, and illustrate the applicability and scalability of the proposed algorithm.

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

最近的作品为张量网络结构搜索（TN-SS）付出了很多努力，旨在选择合适的张量网络（TN）结构，涉及TN级别，格式等，以进行分解或学习任务。在本文中，我们考虑了TN-SS的实用变体，称为TN置换搜索（TN-PS），其中我们在其中搜索从张量模式到TN顶点（核心张量）的良好映射以进行紧凑的TN表示。我们对TN-PS进行了理论研究，并提出了一种实际效率的算法来解决该问题。从理论上讲，我们证明了TN-PS的搜索空间的计数和度量属性，首次分析TN结构对这些唯一属性的影响。从数字上讲，我们提出了一种新颖的元元素算法，其中搜索是通过在我们理论中建立的邻域中随机采样来完成的，然后将其反复更新邻域直至收敛。数值结果表明，新算法可以减少广泛基准中TNS所需的模型大小，这意味着TNS的表达能力的提高。此外，新算法的计算成本明显小于〜\ cite {li2020进化}中的计算成本。

最近的论文开发了CP和张量环分解的交替正方形（ALS）方法，其均值成本是sublinear，在低级别分解的输入张量输入量中是sublinear。在本文中，我们提出了基于抽样的ALS方法，用于CP和张量环分解，其成本没有指数级的依赖性，从而显着改善了先前的最先前。我们提供详细的理论分析，并在特征提取实验中应用这些方法。

在本文中，我们介绍了一种草图算法，用于构建其样品概率密度的张量列车表示。我们的方法偏离了基于标准的递归SVD构建张量列车的程序。取而代之的是，我们为单个张量火车芯制定并求解一系列小型线性系统。这种方法可以避免维数的诅咒，从而威胁恢复问题的算法和样本复杂性。具体而言，对于马尔可夫模型，我们证明可以使用相对于尺寸恒定的样品复杂性回收张量芯。最后，我们通过几个数值实验说明了该方法的性能。

量子哈密顿学习和量子吉布斯采样的双重任务与物理和化学中的许多重要问题有关。在低温方案中，这些任务的算法通常会遭受施状能力，例如因样本或时间复杂性差而遭受。为了解决此类韧性，我们将量子自然梯度下降的概括引入了参数化的混合状态，并提供了稳健的一阶近似算法，即量子 - 固定镜下降。我们使用信息几何学和量子计量学的工具证明了双重任务的数据样本效率，因此首次将经典Fisher效率的开创性结果推广到变异量子算法。我们的方法扩展了以前样品有效的技术，以允许模型选择的灵活性，包括基于量子汉密尔顿的量子模型，包括基于量子的模型，这些模型可能会规避棘手的时间复杂性。我们的一阶算法是使用经典镜下降二元性的新型量子概括得出的。两种结果都需要特殊的度量选择，即Bogoliubov-Kubo-Mori度量。为了从数值上测试我们提出的算法，我们将它们的性能与现有基准进行了关于横向场ISING模型的量子Gibbs采样任务的现有基准。最后，我们提出了一种初始化策略，利用几何局部性来建模状态的序列（例如量子 - 故事过程）的序列。我们从经验上证明了它在实际和想象的时间演化的经验上，同时定义了更广泛的潜在应用。

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

我们考虑在未知排列存在下存在的结构化张量的问题。这些数据问题通常在推荐系统，神经影像学，社区检测和多道比较应用中出现。在这里，我们开发了一般的平滑张量模型，直到任意指数排列;该模型包括流行的张量块模型和Lipschitz超图模型作为特殊情况。我们表明，块明智多项式家族中的约束最小二乘估计值实现了最小的误差。相对于最佳恢复所需的平滑度阈值，揭示了相变现象。特别是，我们发现高达$（m-2）（m + 1）/ 2 $的多项式，足以准确地恢复订单 - $ M $张力，而更高的程度则没有进一步的益处。这种现象揭示了具有和没有未知排列的平滑张量估计问题的内在区别。此外，我们提供了一种有效的多项式BORDA计数算法，可在单调性假设下可被证明可以实现最佳率。通过模拟和芝加哥犯罪数据分析证明了我们的程序的功效。