Selecting subsets of features that differentiate between two conditions is a key task in a broad range of scientific domains. In many applications, the features of interest form clusters with similar effects on the data at hand. To recover such clusters we develop DiSC, a data-driven approach for detecting groups of features that differentiate between conditions. For each condition, we construct a graph whose nodes correspond to the features and whose weights are functions of the similarity between them for that condition. We then apply a spectral approach to compute subsets of nodes whose connectivity differs significantly between the condition-specific feature graphs. On the theoretical front, we analyze our approach with a toy example based on the stochastic block model. We evaluate DiSC on a variety of datasets, including MNIST, hyperspectral imaging, simulated scRNA-seq and task fMRI, and demonstrate that DiSC uncovers features that better differentiate between conditions compared to competing methods.

In recent years, spectral clustering has become one of the most popular modern clustering algorithms. It is simple to implement, can be solved efficiently by standard linear algebra software, and very often outperforms traditional clustering algorithms such as the k-means algorithm. On the first glance spectral clustering appears slightly mysterious, and it is not obvious to see why it works at all and what it really does. The goal of this tutorial is to give some intuition on those questions. We describe different graph Laplacians and their basic properties, present the most common spectral clustering algorithms, and derive those algorithms from scratch by several different approaches. Advantages and disadvantages of the different spectral clustering algorithms are discussed.

Graph clustering is a fundamental problem in unsupervised learning, with numerous applications in computer science and in analysing real-world data. In many real-world applications, we find that the clusters have a significant high-level structure. This is often overlooked in the design and analysis of graph clustering algorithms which make strong simplifying assumptions about the structure of the graph. This thesis addresses the natural question of whether the structure of clusters can be learned efficiently and describes four new algorithmic results for learning such structure in graphs and hypergraphs. All of the presented theoretical results are extensively evaluated on both synthetic and real-word datasets of different domains, including image classification and segmentation, migration networks, co-authorship networks, and natural language processing. These experimental results demonstrate that the newly developed algorithms are practical, effective, and immediately applicable for learning the structure of clusters in real-world data.

通过图形结构表示数据标识在多个数据分析应用中提取信息的最有效方法之一。当调查多模式数据集时，这尤其如此，因为通过各种传感策略收集的记录被考虑并探索。然而，经典曲线图信号处理基于根据热扩散机构配置的信息传播的模型。该系统提供了对多模式数据分析不适用于多模式数据分析的数据属性的若干约束和假设，特别是当考虑从异构源收集的大规模数据集，因此结果的准确性和稳健性可能会受到严重危害。在本文中，我们介绍了一种基于流体扩散的图表定义模型。该方法提高了基于图形的数据分析的能力，以考虑运行方案中现代数据分析的几个问题，从而为对考试记录的记录底层的现象提供了一种精确，多才多艺的，有效地理解平台，以及完全利用记录的多样性提供的潜力，以获得数据的彻底表征及其意义。在这项工作中，我们专注于使用这种流体扩散模型来驱动社区检测方案，即根据节点中的节点中的相似性将多模式数据集分为多个组中。在不同应用场景中测试真正的多模式数据集实现的实验结果表明，我们的方法能够强烈优先于多媒体数据分析中的社区检测的最先进方案。

现代高维方法经常采用“休稀稀物”的原则，而在监督多元学习统计学中可能面临着大量非零系数的“密集”问题。本文提出了一种新的聚类减少秩（CRL）框架，其施加了两个联合矩阵规范化，以自动分组构建预测因素的特征。 CRL比低级别建模更具可解释，并放松变量选择中的严格稀疏假设。在本文中，提出了新的信息 - 理论限制，揭示了寻求集群的内在成本，以及多元学习中的维度的祝福。此外，开发了一种有效的优化算法，其执行子空间学习和具有保证融合的聚类。所获得的定点估计器虽然不一定是全局最佳的，但在某些规则条件下享有超出标准似然设置的所需的统计准确性。此外，提出了一种新的信息标准，以及其无垢形式，用于集群和秩选择，并且具有严格的理论支持，而不假设无限的样本大小。广泛的模拟和实数据实验证明了所提出的方法的统计准确性和可解释性。

Kernel matrices, as well as weighted graphs represented by them, are ubiquitous objects in machine learning, statistics and other related fields. The main drawback of using kernel methods (learning and inference using kernel matrices) is efficiency -- given $n$ input points, most kernel-based algorithms need to materialize the full $n \times n$ kernel matrix before performing any subsequent computation, thus incurring $\Omega(n^2)$ runtime. Breaking this quadratic barrier for various problems has therefore, been a subject of extensive research efforts. We break the quadratic barrier and obtain $\textit{subquadratic}$ time algorithms for several fundamental linear-algebraic and graph processing primitives, including approximating the top eigenvalue and eigenvector, spectral sparsification, solving linear systems, local clustering, low-rank approximation, arboricity estimation and counting weighted triangles. We build on the recent Kernel Density Estimation framework, which (after preprocessing in time subquadratic in $n$) can return estimates of row/column sums of the kernel matrix. In particular, we develop efficient reductions from $\textit{weighted vertex}$ and $\textit{weighted edge sampling}$ on kernel graphs, $\textit{simulating random walks}$ on kernel graphs, and $\textit{importance sampling}$ on matrices to Kernel Density Estimation and show that we can generate samples from these distributions in $\textit{sublinear}$ (in the support of the distribution) time. Our reductions are the central ingredient in each of our applications and we believe they may be of independent interest. We empirically demonstrate the efficacy of our algorithms on low-rank approximation (LRA) and spectral sparsification, where we observe a $\textbf{9x}$ decrease in the number of kernel evaluations over baselines for LRA and a $\textbf{41x}$ reduction in the graph size for spectral sparsification.

由于其数值益处增加及其坚实的数学背景，光谱聚类方法的非线性重构近来的关注。我们在$ p $ -norm中提出了一种新的直接多道谱聚类算法，以$ p \ in（1,2] $。计算图表的多个特征向量的问题$ p $ -laplacian，标准的非线性概括Graph Laplacian，被重用作为Grassmann歧管的无约束最小化问题。$ P $的价值以伪连续的方式减少，促进对应于最佳图形的稀疏解决方案载体作为$ P $接近。监测单调减少平衡图削减了我们从$ P $ -Levels获得的最佳可用解决方案的保证。我们展示了我们算法在各种人工测试案件中的算法的有效性和准确性。我们的数值和比较结果具有各种状态-Art聚类方法表明，所提出的方法在均衡的图形剪切度量和标签分配的准确性方面取得高质量的集群。此外，我们进行S面部图像和手写字符分类的束缚，以展示现实数据集中的适用性。

最近有一项激烈的活动在嵌入非常高维和非线性数据结构的嵌入中，其中大部分在数据科学和机器学习文献中。我们分四部分调查这项活动。在第一部分中，我们涵盖了非线性方法，例如主曲线，多维缩放，局部线性方法，ISOMAP，基于图形的方法和扩散映射，基于内核的方法和随机投影。第二部分与拓扑嵌入方法有关，特别是将拓扑特性映射到持久图和映射器算法中。具有巨大增长的另一种类型的数据集是非常高维网络数据。第三部分中考虑的任务是如何将此类数据嵌入中等维度的向量空间中，以使数据适合传统技术，例如群集和分类技术。可以说，这是算法机器学习方法与统计建模（所谓的随机块建模）之间的对比度。在论文中，我们讨论了两种方法的利弊。调查的最后一部分涉及嵌入$ \ mathbb {r}^ 2 $，即可视化中。提出了三种方法：基于第一部分，第二和第三部分中的方法，$ t $ -sne，UMAP和大节。在两个模拟数据集上进行了说明和比较。一个由嘈杂的ranunculoid曲线组成的三胞胎，另一个由随机块模型和两种类型的节点产生的复杂性的网络组成。

在本文中，我们提出了一种用于几个样本监督功能选择（FS）的新方法。我们的方法首先使用捕获多功能关联的内核来了解每个类的特征空间的歧视。然后，基于Riemannian几何形状，计算复合内核，从而提取了学习的特征关联之间的差异。最后，提出了基于光谱分析的FS分数。考虑多功能关联使我们的方法逐个设计。反过来，这允许提取特征基础的隐藏歧管，并避免过度拟合，从而促进少量样本FS。我们展示了我们方法在说明性示例和几个基准测试方面的功效，在其中我们的方法在选择与竞争方法相比选择信息性特征的准确性更高。此外，我们表明，当应用于测试数据时，我们的FS会导致改进的分类和更好的概括。

社区检测和正交组同步是科学和工程中各种重要应用的基本问题。在这项工作中，我们考虑了社区检测和正交组同步的联合问题，旨在恢复社区并同时执行同步。为此，我们提出了一种简单的算法，该算法由频谱分解步骤组成，然后是彼此枢转的QR分解（CPQR）。所提出的算法与数据点数线性有效且缩放。我们还利用最近开发的“休闲一淘汰”技术来建立近乎最佳保证，以确切地恢复集群成员资格，并稳定地恢复正交变换。数值实验证明了我们算法的效率和功效，并确认了我们的理论表征。

光谱聚类在从业者和理论家中都很受欢迎。尽管对光谱聚类的性能保证有充分的了解，但最近的研究集中于在群集中执行``公平''，要求它们在分类敏感的节点属性方面必须``平衡''人口中的种族分布）。在本文中，我们考虑了一个设置，其中敏感属性间接表现在辅助\ textit {表示图}中，而不是直接观察到。该图指定了可以相对于敏感属性互相表示的节点对，除了通常的\ textit {相似性图}外，还可以观察到。我们的目标是在相似性图中找到簇，同时尊重由表示图编码的新个人公平性约束。我们为此任务开发了不均衡和归一化光谱聚类的变体，并在代表图诱导的种植分区模型下分析其性能。该模型同时使用节点的群集成员身份和表示图的结构来生成随机相似性图。据我们所知，这些是在个人级别的公平限制下受约束光谱聚类的第一个一致性结果。数值结果证实了我们的理论发现。

网络可能具有弱信号和严重程度的异质性，并且可能在一次出现时非常稀疏，但在另一个发生中非常致密。得分（Jin，2015）是最近网络社区检测的方法。它适应严重的程度异质性，并适应不同水平的稀疏性，但它对具有弱信号的网络的性能尚不清楚。在本文中，我们认为，在广泛的网络设置中，我们允许弱信号，严重程度异质性和广泛的网络稀疏性，得分实现了完善的聚类，并且在汉明集群中具有所谓的“指数率”错误。证据对网络邻接矩阵的领先特征向量进行了最新的进出方程。理论分析向我们保证，在弱信号设置中，得分继续运行，但它不排除分数可以进一步提高的可能性，以在实际应用中具有更好的性能，特别是对于具有弱信号的网络。作为纸张的第二份贡献，我们提出得分+作为改进的分数版本。我们调查了8个网络数据集的得分+，发现它优于几种代表性的方法。特别是，对于具有相对强烈的信号的6个数据集，得分+具有与得分相似的性能，但对于2个数据集（Simmons，Caltech）具有可能弱信号，得分+的误差率较低。得分+提出了几个变化以得分。我们使用理论和数值研究的混合物仔细解释每个变化的基本原理。

In this work we study statistical properties of graph-based algorithms for multi-manifold clustering (MMC). In MMC the goal is to retrieve the multi-manifold structure underlying a given Euclidean data set when this one is assumed to be obtained by sampling a distribution on a union of manifolds $\mathcal{M} = \mathcal{M}_1 \cup\dots \cup \mathcal{M}_N$ that may intersect with each other and that may have different dimensions. We investigate sufficient conditions that similarity graphs on data sets must satisfy in order for their corresponding graph Laplacians to capture the right geometric information to solve the MMC problem. Precisely, we provide high probability error bounds for the spectral approximation of a tensorized Laplacian on $\mathcal{M}$ with a suitable graph Laplacian built from the observations; the recovered tensorized Laplacian contains all geometric information of all the individual underlying manifolds. We provide an example of a family of similarity graphs, which we call annular proximity graphs with angle constraints, satisfying these sufficient conditions. We contrast our family of graphs with other constructions in the literature based on the alignment of tangent planes. Extensive numerical experiments expand the insights that our theory provides on the MMC problem.

考虑一个面板数据设置，其中可获得对个人的重复观察。通常可以合理地假设存在共享观察特征的类似效果的个体组，但是分组通常提前未知。我们提出了一种新颖的方法来估计普通面板数据模型的这种未观察到的分组。我们的方法明确地估计各个参数估计中的不确定性，并且在每个人上具有大量的个体和/或重复测量的计算可行。即使在单个数据不可用的情况下，也可以应用开发的想法，并且仅向研究人员提供参数估计与某种量化的不确定性。

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。

我们介绍了一个新型的多层加权网络模型，该模型除了本地信号外，还考虑了全局噪声。该模型类似于多层随机块模型（SBM），但关键区别在于，跨层之间的块之间的相互作用在整个系统中是常见的，我们称之为环境噪声。单个块还以这些固定的环境参数为特征，以表示不属于其他任何地方的成员。这种方法允许将块同时聚类和类型化到信号或噪声中，以便更好地理解其在整个系统中的作用，而现有块模型未考虑。我们采用了分层变异推断的新颖应用来共同检测和区分块类型。我们称此模型为多层加权网络称为随机块（具有）环境噪声模型（SBANM），并开发了相关的社区检测算法。我们将此方法应用于费城神经发育队列中的受试者，以发现与精神病有关的具有共同心理病理学的受试者社区。

单细胞转录组学的分析通常依赖于聚类细胞，然后进行差异基因表达（DGE）来识别这些簇之间变化的基因。这些离散分析成功地确定了细胞类型和标记。但是，可能无法检测到细胞类型内部和之间的连续变化。我们提出了三种拓扑动机的数学方法，用于无监督的特征选择，这些方法可以同时在多个尺度上同时考虑离散和连续的转录模式。 eigenscores（$ \ mathrm {eig} _i $）基于其与图形laplacian的频谱分解在数据中与低频内在图案的对应相对的对应。多尺度拉普拉斯评分（MLS）是一种无监督的方法，用于在数据中定位相关量表并选择在这些相应量表上相干表达的基因。持续的瑞利商（PRQ）采用了配备过滤的数据，允许在分叉过程中具有不同作用的基因（例如伪时间）。我们通过将它们应用于已发布的单细胞转录组数据集来证明这些技术的实用性。该方法验证了先前鉴定的基因并检测具有相干表达模式的其他基因。通过研究基因信号与基础空间的几何形状之间的相互作用，这三种方法给出了基因的多维排名和它们之间关系的可视化。

We study a multi-factor block model for variable clustering and connect it to the regularized subspace clustering by formulating a distributionally robust version of the nodewise regression. To solve the latter problem, we derive a convex relaxation, provide guidance on selecting the size of the robust region, and hence the regularization weighting parameter, based on the data, and propose an ADMM algorithm for implementation. We validate our method in an extensive simulation study. Finally, we propose and apply a variant of our method to stock return data, obtain interpretable clusters that facilitate portfolio selection and compare its out-of-sample performance with other clustering methods in an empirical study.

光谱聚类是网络中广泛使用的社区检测方法之一。然而，大型网络为其中的特征值分解带来了计算挑战。在本文中，我们研究了从统计角度使用随机草图算法的光谱聚类，在那里我们通常假设网络数据是从随机块模型生成的，这些模型不一定是完整等级的。为此，我们首先使用最近开发的草图算法来获得两个随机谱聚类算法，即基于随机投影和基于随机采样的光谱聚类。然后，我们在群体邻接矩阵的近似误差，错误分类误差和链路概率矩阵的估计误差方面研究得到的算法的理论界限。事实证明，在温和条件下，随机谱聚类算法导致与原始光谱聚类算法相同的理论界。我们还将结果扩展到校正的程度校正的随机块模型。数值实验支持我们的理论发现并显示随机化方法的效率。一个名为rclusct的新R包是开发的，并提供给公众。

作为估计高维网络的工具，图形模型通常应用于钙成像数据以估计功能性神经元连接，即神经元活动之间的关系。但是，在许多钙成像数据集中，没有同时记录整个神经元的人群，而是部分重叠的块。如（Vinci等人2019年）最初引入的，这导致了图形缝问题，在该问题中，目的是在仅观察到功能的子集时推断完整图的结构。在本文中，我们研究了一种新颖的两步方法来绘制缝的方法，该方法首先使用低级协方差完成技术在估计图结构之前使用低级协方差完成技术划分完整的协方差矩阵。我们介绍了三种解决此问题的方法：阻止奇异价值分解，核标准惩罚和非凸低级别分解。尽管先前的工作已经研究了低级别矩阵的完成，但我们解决了阻碍遗失的挑战，并且是第一个在图形学习背景下研究问题的挑战。我们讨论了两步过程的理论特性，通过证明新颖的l无限 - 基 - 误差界的矩阵完成，以块错失性证明了一种提出的方​​法的图选择一致性。然后，我们研究了所提出的方法在模拟和现实世界数据示例上的经验性能，通过该方法，我们显示了这些方法从钙成像数据中估算功能连通性的功效。