在本文中，我们提出了一种自适应方法，用于通过正交过程进行聚类和可视化数据。从使用扩散地图框架代表的数据点开始，该方法通过应用受Gromov-Wasserstein距离启发的反馈机制自适应地增加了群集的正交性。这种机制迭代地增加了光谱差距，并完善了数据的正交性，以实现具有高特异性的聚类。通过使用扩散地图框架并使用过渡概率表示数据点之间的关系，该方法相对于基础距离，数据中的噪声和随机初始化都是可靠的。我们证明该方法将全球收敛到某些参数值的唯一固定点。我们还提出了一种相关方法，其中要求马尔可夫进程中的过渡概率是双重随机的，在这种情况下，该方法对非convex优化问题产生了最小化器。我们将该方法应用于来自生物药物制造的冷冻电子显微镜图像数据，在那里我们可以确认与治疗功效有关的生物学相关见解。我们考虑了一个具有基因包装形态变化的示例，并确认该方法会产生与人类专家分类一致的生物学意义的聚类结果。

In this paper, we propose Wasserstein Isometric Mapping (Wassmap), a nonlinear dimensionality reduction technique that provides solutions to some drawbacks in existing global nonlinear dimensionality reduction algorithms in imaging applications. Wassmap represents images via probability measures in Wasserstein space, then uses pairwise Wasserstein distances between the associated measures to produce a low-dimensional, approximately isometric embedding. We show that the algorithm is able to exactly recover parameters of some image manifolds including those generated by translations or dilations of a fixed generating measure. Additionally, we show that a discrete version of the algorithm retrieves parameters from manifolds generated from discrete measures by providing a theoretical bridge to transfer recovery results from functional data to discrete data. Testing of the proposed algorithms on various image data manifolds show that Wassmap yields good embeddings compared with other global and local techniques.

变性推理（VI）为基于传统的采样方法提供了一种吸引人的替代方法，用于实施贝叶斯推断，因为其概念性的简单性，统计准确性和计算可扩展性。然而，常见的变分近似方案（例如平均场（MF）近似）需要某些共轭结构以促进有效的计算，这可能会增加不必要的限制对可行的先验分布家族，并对变异近似族对差异进行进一步的限制。在这项工作中，我们开发了一个通用计算框架，用于实施MF-VI VIA WASSERSTEIN梯度流（WGF），这是概率度量空间上的梯度流。当专门针对贝叶斯潜在变量模型时，我们将分析基于时间消化的WGF交替最小化方案的算法收敛，用于实现MF近似。特别是，所提出的算法类似于EM算法的分布版本，包括更新潜在变量变异分布的E step以及在参数的变异分布上进行最陡峭下降的m step。我们的理论分析依赖于概率度量空间中的最佳运输理论和细分微积分。我们证明了时间限制的WGF的指数收敛性，以最大程度地减少普通大地测量学严格的凸度的通用物镜功能。我们还提供了通过使用时间限制的WGF的固定点方程从MF近似获得的变异分布的指数收缩的新证明。我们将方法和理论应用于两个经典的贝叶斯潜在变量模型，即高斯混合模型和回归模型的混合物。还进行了数值实验，以补充这两个模型下的理论发现。

在机器学习或统计中，通常希望减少高维空间$ \ mathbb {r} ^ d $的数据点样本的维度。本文介绍了一种维度还原方法，其中嵌入坐标是作为半定程序无限尺寸模拟的溶液获得的正半定核的特征向量。这种嵌入是自适应和非线性的。我们对学习内核的弱者和强烈的平滑假设讨论了这个问题。我们的方法的主要特点是在两种情况下存在嵌入坐标的样本延伸公式。该外推公式产生内核矩阵的延伸到数据相关的Mercer内核功能。我们的经验结果表明，与光谱嵌入方法相比，该嵌入方法对异常值的影响更加稳健。

在随机抽样方法中，马尔可夫链蒙特卡洛算法是最重要的。在随机行走都市方案中，我们利用分析方法和数值方法的结合研究了它们的收敛性能。我们表明，偏离目标稳态分布的偏差特征是定位过渡的函数，这是定义随机步行的尝试跳跃的特征长度。该过渡大大改变了误差，而误差是通过不完整的收敛引入的，并区分了两个方案，其中弛豫机制分别受扩散和排斥分别受到限制。

轨迹推断旨在从其时间边缘的快照中恢复人群的动态。为了解决这项任务，Lavenant等人引入了相对于路径空间中的Wiener度量的最小渗透估计量。 ARXIV：2102.09204，并显示出从无限尺寸凸优化问题的解决方案中始终如一地恢复大型漂移扩散过程的动力学。在本文中，我们引入了无网算法来计算该估计器。我们的方法包括通过Schr \“ Odinger Bridges耦合的点云家族（每张快照），该桥也随着嘈杂的梯度下降而演变。我们研究了动力学的平均场限制，并证明了其与所需估计量的全局收敛。这导致了一种具有端到端理论保证的推理方法，可以解决轨迹推理的可解释模型。我们还提出了如何调整方法处理质量变化的方法，在处理单个单元RNA序列数据时，这是一个有用的扩展细胞可以分支并死亡。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

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。

我们考虑人口Wasserstein Barycenter问题，用于随机概率措施支持有限一组点，由在线数据流生成。这导致了复杂的随机优化问题，其中目标是作为作为随机优化问题的解决方案给出的函数的期望。我们采用了问题的结构，并获得了这个问题的凸凹陷的随机鞍点重构。在设置随机概率措施的分布是离散的情况下，我们提出了一种随机优化算法并估计其复杂性。基于内核方法的第二个结果将前一个延伸到随机概率措施的任意分布。此外，这种新算法在许多情况下，与随机近似方法相结合的随机近似方法，具有优于随机近似方法的总复杂性。我们还通过一系列数值实验说明了我们的发展。

我们调查了一定类别的功能不等式，称为弱Poincar的不等式，以使Markov链的收敛性与均衡相结合。我们表明，这使得SubGoom测量收敛界的直接和透明的推导出用于独立的Metropolis - Hastings采样器和用于棘手似然性的伪边缘方法，后者在许多实际设置中是子表芯。这些结果依赖于马尔可夫链之间的新量化比较定理。相关证据比依赖于漂移/较小化条件的证据更简单，并且所开发的工具允许我们恢复并进一步延长特定情况的已知结果。我们能够为伪边缘算法的实际使用提供新的见解，分析平均近似贝叶斯计算（ABC）的效果以及独立平均值的产品，以及研究与之相关的逻辑重量的情况粒子边缘大都市 - 黑斯廷斯（PMMH）。

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.

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

增强学习算法通常需要马尔可夫决策过程（MDP）中的状态和行动空间的有限度，并且在文献中已经对连续状态和动作空间的这种算法的适用性进行了各种努力。在本文中，我们表明，在非常温和的规律条件下（特别是仅涉及MDP的转换内核的弱连续性），通过量化状态和动作会聚到限制，Q-Learning用于标准BOREL MDP，而且此外限制满足最优性方程，其导致与明确的性能界限接近最优性，或者保证渐近最佳。我们的方法在（i）上建立了（i）将量化视为测量内核，因此将量化的MDP作为POMDP，（ii）利用Q-Learning的Q-Learning的近的最优性和收敛结果，并最终是有限状态的近最优态模型近似用于MDP的弱连续内核，我们展示对应于构造POMDP的固定点。因此，我们的论文提出了一种非常一般的收敛性和近似值，了解Q-Learning用于连续MDP的适用性。

我们介绍了一种算法，用于计算采样歧管的测量测量算法，其依赖于对采样数据的植物嵌入的曲线图的模拟。我们的方法利用经典的结果在半导体分析和量子古典对应中，并形成用于学习数据集的歧管的技术的基础，随后用于高维数据集的非线性维度降低。我们以基于CoVID-19移动数据的聚类演示，从模型歧管中采样数据采样的数据，并通过集群演示来说明新的算法。最后，我们的方法揭示了数据采样和量化提供的离散化之间有趣的连接。

We introduce and study a novel model-selection strategy for Bayesian learning, based on optimal transport, along with its associated predictive posterior law: the Wasserstein population barycenter of the posterior law over models. We first show how this estimator, termed Bayesian Wasserstein barycenter (BWB), arises naturally in a general, parameter-free Bayesian model-selection framework, when the considered Bayesian risk is the Wasserstein distance. Examples are given, illustrating how the BWB extends some classic parametric and non-parametric selection strategies. Furthermore, we also provide explicit conditions granting the existence and statistical consistency of the BWB, and discuss some of its general and specific properties, providing insights into its advantages compared to usual choices, such as the model average estimator. Finally, we illustrate how this estimator can be computed using the stochastic gradient descent (SGD) algorithm in Wasserstein space introduced in a companion paper arXiv:2201.04232v2 [math.OC], and provide a numerical example for experimental validation of the proposed method.

Experimental sciences have come to depend heavily on our ability to organize, interpret and analyze high-dimensional datasets produced from observations of a large number of variables governed by natural processes. Natural laws, conservation principles, and dynamical structure introduce intricate inter-dependencies among these observed variables, which in turn yield geometric structure, with fewer degrees of freedom, on the dataset. We show how fine-scale features of this structure in data can be extracted from \emph{discrete} approximations to quantum mechanical processes given by data-driven graph Laplacians and localized wavepackets. This data-driven quantization procedure leads to a novel, yet natural uncertainty principle for data analysis induced by limited data. We illustrate the new approach with algorithms and several applications to real-world data, including the learning of patterns and anomalies in social distancing and mobility behavior during the COVID-19 pandemic.

我们提出了一种基于langevin扩散的算法，以在球体的产物歧管上进行非凸优化和采样。在对数Sobolev不平等的情况下，我们根据Kullback-Leibler Divergence建立了有限的迭代迭代收敛到Gibbs分布的保证。我们表明，有了适当的温度选择，可以保证，次级最小值的次数差距很小，概率很高。作为一种应用，我们考虑了使用对角线约束解决半决赛程序（SDP）的burer- monteiro方法，并分析提出的langevin算法以优化非凸目标。特别是，我们为Burer建立了对数Sobolev的不平等现象 - 当没有虚假的局部最小值时，但在鞍点下，蒙蒂罗问题。结合结果，我们为SDP和最大切割问题提供了全局最佳保证。更确切地说，我们证明了Langevin算法在$ \ widetilde {\ omega}（\ epsilon^{ - 5}）$ tererations $ tererations $ \ widetilde {\ omega}（\ omega}中，具有很高的概率。

Wassersein梯度流通概率措施在各种优化问题中发现了许多应用程序。它们通常由于由涉及梯度型电位的一些平均场相互作用而发展的可交换粒子系统的连续极限。然而，在许多问题中，例如在多层神经网络中，所谓的粒子是在节点可更换的大图上的边缘权重。已知这样的大图可以收敛到连续的限制，称为Graphons，因为它们的大小增长到无穷大。我们表明，边缘权重的合适功能的欧几里德梯度流量会聚到可以被适当地描述为梯度流的曲线上的曲线给出的新型连续轴限制，或者更重要的是最大斜率的曲线。我们的设置涵盖了诸如同性恋功能和标量熵的石墨源上的几种自然功能，并详细介绍了示例。

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.

在机器学习中调用多种假设需要了解歧管的几何形状和维度，理论决定了需要多少样本。但是，在应用程序数据中，采样可能不均匀，歧管属性是未知的，并且（可能）非纯化；这意味着社区必须适应本地结构。我们介绍了一种用于推断相似性内核提供数据的自适应邻域的算法。从本地保守的邻域（Gabriel）图开始，我们根据加权对应物进行迭代率稀疏。在每个步骤中，线性程序在全球范围内产生最小的社区，并且体积统计数据揭示了邻居离群值可能违反了歧管几何形状。我们将自适应邻域应用于非线性维度降低，地球计算和维度估计。与标准算法的比较，例如使用K-Nearest邻居，证明了它们的实用性。