在这项工作中，我们提出了一种维度减少算法，即AKA。素描，用于分类数据集。我们提出的草图算法舱从高维分类向量构造低维二进制草图，我们的距离估计算法CHAM仅计算任何两个原始向量之间的汉明距离的近似近似。 Cham以确保良好估计的速度要求的最小尺寸理论上只取决于数据点的稀疏性 - 使其对涉及稀疏数据集的许多现实生活场景有用。我们对我们的方法提供了严格的理论分析，并在几个高维现实世界数据集上进行了广泛的实验，包括一个超过一百万维度的实验。我们表明，与使用完整数据集和其他维数减少技术相比，机舱和Cham Duo是一种明显的快速准确的任务和群集，如RMSE，全对相似性和聚类。

分类属性是那些可以采用离散值集的那些，例如颜色。这项工作是关于将vects压缩到基于小维度离散矢量的分类属性。基于目前的哈希的方法将传感器压缩到低维离散矢量的分类属性不提供压缩表示之间的汉明距离的任何保证。在这里，我们呈现fsketch以创建稀疏分类数据的草图和估算器，以估计仅从其草图中的未压缩数据之间的成对汉明距离。我们声称这些草图可以在通常的数据挖掘任务中使用代替原始数据而不会影响任务的质量。为此，我们确保草图也是分类，稀疏，汉明距离估计是合理的精确性。素描结构和汉明距离估计算法都只需要一条单通;此外，对数据点的改变可以以有效的方式结合到其草图中。压缩性取决于数据的稀疏程度如何且与原始维度无关 - 使我们的算法对许多现实生活场景具有吸引力。我们的索赔通过对FSKetch性质的严格理论分析来支持，并通过对某些现实世界数据集的相关算法进行广泛的比较评估。我们表明FSKetch明显更快，并且通过使用其草图获得的准确性是RMSE，聚类和相似性搜索的标准无监督任务的顶部。

高维计算（HDC）是用于数据表示和学习的范式，起源于计算神经科学。HDC将数据表示为高维，低精度向量，可用于学习或召回等各种信息处理任务。高维空间的映射是HDC中的一个基本问题，现有方法在输入数据本身是高维时会遇到可伸缩性问题。在这项工作中，我们探索了一个基于哈希的流媒体编码技术。我们正式表明，这些方法在学习应用程序的性能方面具有可比的保证，同时比现有替代方案更有效。我们在一个流行的高维分类问题上对这些结果进行了实验验证，并表明我们的方法很容易扩展到非常大的数据集。

可视化非常大的矩阵涉及许多强大的问题。这些问题的各种流行的解决方案涉及采样，群集，投影或特征选择，以降低原始任务的大小和复杂性。这些方法的一个重要方面是如何在减少行和列以便在较低尺寸空间中保持高维空间中的点之间的相对距离。这方面很重要，因为基于错误的视觉推理的结论可能是有害的。在可视化的基础上判断与相似或类似的点相似或类似的点可以导致错误的结论。为了改善这种偏差并使非常大的数据集的可视化可行，我们介绍了两个新的算法，分别选择矩形矩阵的行和列的子集。这种选择旨在尽可能地保持相对距离。我们将矩阵素描与各种人工和真实数据集的更传统的替代品进行比较。

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.

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.

腔是总结数据的最受欢迎的范例之一。特别是，存在许多用于聚类问题的高性能核心，例如理论和实践中的$ k $ - 均值。奇怪的是，没有进行比较可用$ k $ - 均值核心的质量的工作。在本文中，我们进行了这样的评估。目前尚无算法来测量候选核心的失真。我们提供了一些证据，表明为什么这可能在计算上很难。为了补充这一点，我们提出了一个基准，我们认为计算核心具有挑战性，这也使我们对核心的评估很容易（启发式）评估。使用此基准和现实世界数据集，我们对理论和实践中最常用的核心算法进行了详尽的评估。

我们提出了一个算法框架，用于近距离矩阵上的量子启发的经典算法，概括了Tang的突破性量子启发算法开始的一系列结果，用于推荐系统[STOC'19]。由量子线性代数算法和gily \'en，su，low和wiebe [stoc'19]的量子奇异值转换（SVT）框架[SVT）的动机[STOC'19]，我们开发了SVT的经典算法合适的量子启发的采样假设。我们的结果提供了令人信服的证据，表明在相应的QRAM数据结构输入模型中，量子SVT不会产生指数量子加速。由于量子SVT框架基本上概括了量子线性代数的所有已知技术，因此我们的结果与先前工作的采样引理相结合，足以概括所有有关取消量子机器学习算法的最新结果。特别是，我们的经典SVT框架恢复并经常改善推荐系统，主成分分析，监督聚类，支持向量机器，低秩回归和半决赛程序解决方案的取消结果。我们还为汉密尔顿低级模拟和判别分析提供了其他取消化结果。我们的改进来自识别量子启发的输入模型的关键功能，该模型是所有先前量子启发的结果的核心：$ \ ell^2 $ -Norm采样可以及时近似于其尺寸近似矩阵产品。我们将所有主要结果减少到这一事实，使我们的简洁，独立和直观。

本文缩小了先前有关量子线性代数的文献与量子计算机上的实用数据分析之间的差异，从而使量子程序形式化，以加快机器学习中数据表示的本本本特征的解决方案。这些子例程的功率和实际用途通过新的量子算法（输入矩阵的大小中的sublinear）显示，用于主成分分析，通信分析和潜在的语义分析。我们提供了对运行时的理论分析，并在随机算法的误差上证明了紧密的界限。我们在多个数据集上运行实验，以模拟PCA的尺寸减小，以通过新型例程进行图像分类。结果表明，不依赖输入的大小的运行时参数是合理的，并且计算模型上的错误很小，从而允许竞争性分类性能。

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。

NYSTR \“ OM方法是提高内核方法可伸缩性的最流行技术之一。但是，它尚未与经典PCA一致的核PCA得出。在本文中，我们使用NyStr \”来得出核PCA。OM方法，从而提供了使内核PCA可扩展的少数可用选项之一。我们通过与完整方法相比，通过有限样本的置信度结合了经验重建误差，进一步研究其统计精度。该方法和绑定的行为通过在多个现实世界数据集上的计算机实验进行说明。作为该方法的应用，我们使用NyStr \“ Om方法表示内核主成分回归，作为NyStr \“ Om内核脊回归的替代方案，可用于使用核有效正规化回归。

标签排名（LR）对应于学习一个假设的问题，以通过有限一组标签将功能映射到排名。我们采用了对LR的非参数回归方法，并获得了这一基本实际问题的理论绩效保障。我们在无噪声和嘈杂的非参数回归设置中介绍了一个用于标签排名的生成模型，并为两种情况下提供学习算法的示例复杂性界限。在无噪声环境中，我们研究了全排序的LR问题，并在高维制度中使用决策树和随机林提供计算有效的算法。在嘈杂的环境中，我们考虑使用统计观点的不完整和部分排名的LR更通用的情况，并使用多种多组分类的一种方法获得样本复杂性范围。最后，我们与实验补充了我们的理论贡献，旨在了解输入回归噪声如何影响观察到的输出。

图形嵌入是图形节点到一组向量的转换。良好的嵌入应捕获图形拓扑，节点与节点的关系以及有关图，其子图和节点的其他相关信息。如果实现了这些目标，则嵌入是网络中有意义的，可理解的，可理解的压缩表示形式，可用于其他机器学习工具，例如节点分类，社区检测或链接预测。主要的挑战是，需要确保嵌入很好地描述图形的属性。结果，选择最佳嵌入是一项具有挑战性的任务，并且通常需要领域专家。在本文中，我们在现实世界网络和人为生成的网络上进行了一系列广泛的实验，并使用选定的图嵌入算法进行了一系列的实验。根据这些实验，我们制定了两个一般结论。首先，如果需要在运行实验之前选择一种嵌入算法，则Node2Vec是最佳选择，因为它在我们的测试中表现最好。话虽如此，在所有测试中都没有单一的赢家，此外，大多数嵌入算法都具有应该调整并随机分配的超参数。因此，如果可能的话，我们对从业者的主要建议是生成几个问题的嵌入，然后使用一个通用框架，该框架为无监督的图形嵌入比较提供了工具。该框架（最近在文献中引入并在GitHub存储库中很容易获得）将分歧分数分配给嵌入，以帮助区分好的分数和不良的分数。

模糊或柔软$ k $ -means目标是众所周知的$ k $ -means问题的流行泛化，将$ k $ -means扩展到不确定，模糊和否则难以群集的数据集的聚类能力。在本文中，我们提出了一个半监督的主动聚类框架，其中允许学习者与Oracle（域专家）进行交互，询问一组所选项目之间的相似性。我们研究了本框架中的聚类查询和计算复杂性。我们证明具有一些这样的相似性查询使得一个人能够将多项式时间近似算法获得到另外的辅助NP难题。特别是，我们提供了在此设置中的模糊聚类的算法，该算法询问$ O（\ mathsf {poly}（k）\ log n）$相似查询并使用多项式 - 时间复杂度运行，其中$ n $是项目的数量。模糊$ k $ -means目标是非渗透，$ k $ -means作为一个特殊情况，相当于一些其他通用非核解问题，如非负矩阵分解。普遍存在的LLOYD型算法（或交替的最小化算法）可以以局部最小粘在一起。我们的结果表明，通过制作一些相似性查询，问题变得更加易于解决。最后，我们通过现实世界数据集测试我们的算法，展示了其在现实世界应用中的有效性。

We review clustering as an analysis tool and the underlying concepts from an introductory perspective. What is clustering and how can clusterings be realised programmatically? How can data be represented and prepared for a clustering task? And how can clustering results be validated? Connectivity-based versus prototype-based approaches are reflected in the context of several popular methods: single-linkage, spectral embedding, k-means, and Gaussian mixtures are discussed as well as the density-based protocols (H)DBSCAN, Jarvis-Patrick, CommonNN, and density-peaks.

使用机器学习算法从未标记的文本中提取知识可能很复杂。文档分类和信息检索是两个应用程序，可以从无监督的学习（例如文本聚类和主题建模）中受益，包括探索性数据分析。但是，无监督的学习范式提出了可重复性问题。初始化可能会导致可变性，具体取决于机器学习算法。此外，关于群集几何形状，扭曲可能会产生误导。在原因中，异常值和异常的存在可能是决定因素。尽管初始化和异常问题与文本群集和主题建模相关，但作者并未找到对它们的深入分析。这项调查提供了这些亚地区的系统文献综述（2011-2022），并提出了共同的术语，因为类似的程序具有不同的术语。作者描述了研究机会，趋势和开放问题。附录总结了与审查的作品直接或间接相关的文本矢量化，分解和聚类算法的理论背景。

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.

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。

在过去十年中，图形内核引起了很多关注，并在结构化数据上发展成为一种快速发展的学习分支。在过去的20年中，该领域发生的相当大的研究活动导致开发数十个图形内核，每个图形内核都对焦于图形的特定结构性质。图形内核已成功地成功地在广泛的域中，从社交网络到生物信息学。本调查的目标是提供图形内核的文献的统一视图。特别是，我们概述了各种图形内核。此外，我们对公共数据集的几个内核进行了实验评估，并提供了比较研究。最后，我们讨论图形内核的关键应用，并概述了一些仍有待解决的挑战。

收购用于监督学习的标签可能很昂贵。为了提高神经网络回归的样本效率，我们研究了活跃的学习方法，这些方法可以适应地选择未标记的数据进行标记。我们提出了一个框架，用于从（与网络相关的）基础内核，内核转换和选择方法中构造此类方法。我们的框架涵盖了许多基于神经网络的高斯过程近似以及非乘式方法的现有贝叶斯方法。此外，我们建议用草图的有限宽度神经切线核代替常用的最后层特征，并将它们与一种新型的聚类方法结合在一起。为了评估不同的方法，我们引入了一个由15个大型表格回归数据集组成的开源基准。我们所提出的方法的表现优于我们的基准测试上的最新方法，缩放到大数据集，并在不调整网络体系结构或培训代码的情况下开箱即用。我们提供开源代码，包括所有内核，内核转换和选择方法的有效实现，并可用于复制我们的结果。