在许多数据域中，关于对象的关节外观的共同发生统计是有源地信息的。通过将无监督的学习问题转换成共同发生统计的分解，光谱算法为后验题分析和社区检测提供透明和有效的算法。然而，由于对象词汇表生长，存储和运行应对统计数据的推理算法迅速更昂贵。整改共同发生，秉承模型假设的关键过程在罕见术语存在下变得越来越重要，但目前的技术不能扩展到大号词汇。我们提出了新的方法，即同时压缩和纠正共发生统计，优雅地缩放词汇量和潜在空间的维度。我们还提出了从压缩统计数据的新算法学习潜在变量，并验证了我们的方法是否相当于文本和非文本数据的先前方法。

We develop stochastic variational inference, a scalable algorithm for approximating posterior distributions. We develop this technique for a large class of probabilistic models and we demonstrate it with two probabilistic topic models, latent Dirichlet allocation and the hierarchical Dirichlet process topic model. Using stochastic variational inference, we analyze several large collections of documents: 300K articles from Nature, 1.8M articles from The New York Times, and 3.8M articles from Wikipedia. Stochastic inference can easily handle data sets of this size and outperforms traditional variational inference, which can only handle a smaller subset. (We also show that the Bayesian nonparametric topic model outperforms its parametric counterpart.) Stochastic variational inference lets us apply complex Bayesian models to massive data sets.

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.

主题模型为学习，提取和发现大型文本语料库中的潜在结构提供了有用的文本挖掘工具。尽管已经为主题建模提出了大量方法，但文献缺乏是对潜在主题估计的统计识别性和准确性的正式理论研究。在本文中，我们提出了一个基于特定的集成可能性的潜在主题的最大似然估计量（MLE），该主题自然地与该概念相连，在计算几何学中，体积最小化。我们的理论介绍了主题模型可识别性的一组新几何条件，这些条件比常规的可分离性条件弱，这些条件通常依赖于纯主题文档或锚定词的存在。较弱的条件允许更广泛的调查，因此可能会更加富有成果的研究。我们对拟议的估计器进行有限样本误差分析，并讨论我们的结果与先前研究的结果之间的联系。我们以使用模拟和真实数据集的实证研究结论。

This paper is about a curious phenomenon. Suppose we have a data matrix, which is the superposition of a low-rank component and a sparse component. Can we recover each component individually? We prove that under some suitable assumptions, it is possible to recover both the low-rank and the sparse components exactly by solving a very convenient convex program called Principal Component Pursuit; among all feasible decompositions, simply minimize a weighted combination of the nuclear norm and of the 1 norm. This suggests the possibility of a principled approach to robust principal component analysis since our methodology and results assert that one can recover the principal components of a data matrix even though a positive fraction of its entries are arbitrarily corrupted. This extends to the situation where a fraction of the entries are missing as well. We discuss an algorithm for solving this optimization problem, and present applications in the area of video surveillance, where our methodology allows for the detection of objects in a cluttered background, and in the area of face recognition, where it offers a principled way of removing shadows and specularities in images of faces.

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.

We describe latent Dirichlet allocation (LDA), a generative probabilistic model for collections of discrete data such as text corpora. LDA is a three-level hierarchical Bayesian model, in which each item of a collection is modeled as a finite mixture over an underlying set of topics. Each topic is, in turn, modeled as an infinite mixture over an underlying set of topic probabilities. In the context of text modeling, the topic probabilities provide an explicit representation of a document. We present efficient approximate inference techniques based on variational methods and an EM algorithm for empirical Bayes parameter estimation. We report results in document modeling, text classification, and collaborative filtering, comparing to a mixture of unigrams model and the probabilistic LSI model.

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。

The affine rank minimization problem consists of finding a matrix of minimum rank that satisfies a given system of linear equality constraints. Such problems have appeared in the literature of a diverse set of fields including system identification and control, Euclidean embedding, and collaborative filtering. Although specific instances can often be solved with specialized algorithms, the general affine rank minimization problem is NP-hard, because it contains vector cardinality minimization as a special case.In this paper, we show that if a certain restricted isometry property holds for the linear transformation defining the constraints, the minimum rank solution can be recovered by solving a convex optimization problem, namely the minimization of the nuclear norm over the given affine space. We present several random ensembles of equations where the restricted isometry property holds with overwhelming probability, provided the codimension of the subspace is Ω(r(m + n) log mn), where m, n are the dimensions of the matrix, and r is its rank.The techniques used in our analysis have strong parallels in the compressed sensing framework. We discuss how affine rank minimization generalizes this pre-existing concept and outline a dictionary relating concepts from cardinality minimization to those of rank minimization. We also discuss several algorithmic approaches to solving the norm minimization relaxations, and illustrate our results with numerical examples.

本文研究了主题模型中高维，离散，可能稀疏的混合模型的估计。数据包括在$ n $独立文档中观察到的$ p $单词的多项式计数。在主题模型中，$ p \ times n $预期的单词频率矩阵被认为被分解为$ p \ times k $ word-top-topic矩阵$ a $ a $和a $ k \ times n $ topic-document $ t $ t $ 。由于两个矩阵的列代表属于概率简单的条件概率，因此$ a $的列被视为$ p $ - 二维混合组件，这些混合组件是所有文档共有的，而$ t $的列被视为$ k $二维的混合物特定文档并允许稀疏的权重。主要的兴趣是提供鲜明的，有限的样本，$ \ ell_1 $ norm收敛速率，用于混合物重量$ t $的估计量，当$ a $是已知或未知时。对于已知的$ a $，我们建议MLE估计为$ t $。我们对MLE的非标准分析不仅建立了其$ \ ell_1 $收敛率，而且揭示了一个非凡的属性：MLE，没有额外的正则化，可能完全稀疏，并且包含$ t $的真实零模式。我们进一步表明，MLE既是最佳的最佳选择，又适应了一大批稀疏主题分布中未知的稀疏性。当$ a $未知时，我们通过优化与$ a $ a $的插件的可能性功能来估计$ t $。对于任何满足与$ a $ $ a $的详细条件的估计器$ \ hat {a} $，显示出$ t $的估计器可保留为MLE建立的属性。环境尺寸$ k $和$ p $可以随着样本量而增长。我们的应用是对文档生成分布之间1-Wasserstein距离的估计。我们建议，估计和分析两个概率文档表示之间的新1-Wasserstein距离。

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。

项目反应理论（IRT）是一个无处不在的模型，可以根据他们对问题的回答理解人类行为和态度。大型现代数据集为捕捉人类行为的更多细微差别提供了机会，从而有可能改善心理测量模型，从而改善科学理解和公共政策。但是，尽管较大的数据集允许采用更灵活的方法，但许多用于拟合IRT模型的当代算法也可能具有禁止现实世界应用的巨大计算需求。为了解决这种瓶颈，我们引入了IRT的变异贝叶斯推理算法，并表明它在不牺牲准确性的情况下快速可扩展。将此方法应用于认知科学和教育的五个大规模项目响应数据集中，比替代推理算法更高的对数可能性和更高的准确性。然后，使用这种新的推论方法，我们将IRT概括为具有表现力的贝叶斯响应模型，利用深度学习的最新进展来捕获具有神经网络的非线性项目特征曲线（ICC）。使用TIMSS的特定级数学测试，我们显示我们的非线性IRT模型可以捕获有趣的不对称ICC。该算法实现是开源的，易于使用。

分析短文（例如社交媒体帖子）由于其固有的简洁而非常困难。除了对此类帖子的主题进行分类之外，一个常见的下游任务是将这些文档的作者分组以进行后续分析。我们提出了一个新颖的模型，该模型通过对同一文档中的单词之间的强大依赖进行建模以及用户级主题分布来扩展潜在的Dirichlet分配。我们还同时群集用户，消除了对事后集群估计的需求，并通过将嘈杂的用户级主题分布缩小到典型值来改善主题估计。我们的方法的性能和比传统方法的性能（或更好），我们在美国参议员的推文数据集中证明了它的有用性，恢复了反映党派意识形态的有意义的主题和群集。我们还通过表征参议员群体讨论并提供不确定性量化的主题的遗产，从而在这些政治家中开发了一种新的回声室衡量标准。

网络数据通常在各种应用程序中收集，代表感兴趣的功能之间直接测量或统计上推断的连接。在越来越多的域中，这些网络会随着时间的流逝而收集，例如不同日子或多个主题之间的社交媒体平台用户之间的交互，例如在大脑连接性的多主体研究中。在分析多个大型网络时，降低降低技术通常用于将网络嵌入更易于处理的低维空间中。为此，我们通过专门的张量分解来开发用于网络集合的主组件分析（PCA）的框架，我们将半对称性张量PCA或SS-TPCA术语。我们得出计算有效的算法来计算我们提出的SS-TPCA分解，并在标准的低级别信号加噪声模型下建立方法的统计效率。值得注意的是，我们表明SS-TPCA具有与经典矩阵PCA相同的估计精度，并且与网络中顶点数的平方根成正比，而不是预期的边缘数。我们的框架继承了古典PCA的许多优势，适用于广泛的无监督学习任务，包括识别主要网络，隔离有意义的更改点或外出观察，以及表征最不同边缘的“可变性网络”。最后，我们证明了我们的提案对模拟数据的有效性以及经验法律研究的示例。用于建立我们主要一致性结果的技术令人惊讶地简单明了，可能会在其他各种网络分析问题中找到使用。

人类每天产生的exabytes数据，导致越来越需要对大数据带来的多标签学习的大挑战的新努力。例如，极端多标签分类是一个有效且快速增长的研究区域，可以处理具有极大数量的类或标签的分类任务;利用具有有限监督的大规模数据构建一个多标签分类模型对实际应用变得有价值。除此之外，如何收获深度学习的强大学习能力，有巨大努力，以更好地捕获多标签的标签依赖性学习，这是深入学习解决现实世界分类任务的关键。然而，有人指出，缺乏缺乏系统性研究，明确关注分析大数据时代的多标签学习的新兴趋势和新挑战。呼吁综合调查旨在满足这项任务和描绘未来的研究方向和新应用。

大多数现有推荐系统仅基于评级数据，并且他们忽略了可能会增加建议质量的其他信息来源，例如文本评论或用户和项目特征。此外，这些系统的大多数仅适用于小型数据集（数千个观察）并且无法处理大型数据集（具有数百万观察结果）。我们提出了一种推荐人算法，该算法将评级建模技术（即潜在因子模型）与基于文本评论（即潜在Dirichlet分配）的主题建模方法组合，并且我们扩展了算法，使其允许添加额外的用户和项目 - 对系统的特定信息。我们使用具有不同大小的Amazon.com数据集来评估算法的性能，对应于23个产品类别。将建筑模型与四种其他型号进行比较后，我们发现将患有评级的文本评语相结合，导致更好的建议。此外，我们发现为模型添加额外的用户和项目功能会提高其预测精度，这对于中型和大数据集尤其如此。

强化学习算法的实用性由于相对于问题大小的规模差而受到限制，因为学习$ \ epsilon $ -optimal策略的样本复杂性为$ \ tilde {\ omega} \ left（| s | s || a || a || a || a | h^3 / \ eps^2 \ right）$在MDP的最坏情况下，带有状态空间$ S $，ACTION SPACE $ A $和HORIZON $ H $。我们考虑一类显示出低级结构的MDP，其中潜在特征未知。我们认为，价值迭代和低级别矩阵估计的自然组合导致估计误差在地平线上呈指数增长。然后，我们提供了一种新算法以及统计保证，即有效利用了对生成模型的访问，实现了$ \ tilde {o} \ left的样本复杂度（d^5（d^5（| s |+| a |）\），我们有效利用低级结构。对于等级$ d $设置的Mathrm {Poly}（h）/\ EPS^2 \ right）$，相对于$ | s |，| a | $和$ \ eps $的缩放，这是最小值的最佳。与线性和低级别MDP的文献相反，我们不需要已知的功能映射，我们的算法在计算上很简单，并且我们的结果长期存在。我们的结果提供了有关MDP对过渡内核与最佳动作值函数所需的最小低级结构假设的见解。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

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。

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。