任何稀疏编码方法的最终目标是从几个嘈杂的线性测量值（一个未知的稀疏向量）中准确恢复。不幸的是，这个估计问题通常是NP-HARD，因此始终采用近似方法（例如Lasso或正交匹配的追踪）来接近它，从而使准确性以较小的计算复杂性进行了交易。在本文中，我们为稀疏编码开发了一种量子启发的算法，前提是，与经典近似方法相比，量子计算机和ISING机器的出现可能会导致更准确的估计。为此，我们将最一般的稀疏编码问题作为二次不受约束的二进制优化（QUBO）任务提出，可以使用量子技术有效地最小化。为了在旋转数量（空间复杂性）方面也有效地得出QUBO模型，我们将分析分为三种不同的情况。这些由表达基础稀疏向量所需的位数来定义：二进制，2位和一般的定点表示。我们使用有关Lightsolver量子启发的数字平台的模拟数据进行数值实验，以验证我们的QUBO公式的正确性，并证明其优于基线方法的优势。

约束的张量和矩阵分子化模型允许从多道数据中提取可解释模式。因此，对于受约束的低秩近似度的可识别性特性和有效算法是如此重要的研究主题。这项工作涉及低秩近似的因子矩阵的列，以众所周知的和可能的过度顺序稀疏，该模型包括基于字典的低秩近似（DLRA）。虽然早期的贡献集中在候选列字典内的发现因子列，即一稀疏的近似值，这项工作是第一个以大于1的稀疏性解决DLRA。我建议专注于稀疏编码的子问题，在解决DLRA时出现的混合稀疏编码（MSC）以交替的优化策略在解决DLRA时出现。提供了基于稀疏编码启发式的几种算法（贪婪方法，凸起放松）以解决MSC。在模拟数据上评估这些启发式的性能。然后，我展示了如何基于套索来调整一个有效的MSC求解器，以计算高光谱图像处理和化学测量学的背景下的基于词典的基于矩阵分解和规范的多adic分解。这些实验表明，DLRA扩展了低秩近似的建模能力，有助于降低估计方差并提高估计因子的可识别性和可解释性。

Discriminative features extracted from the sparse coding model have been shown to perform well for classification. Recent deep learning architectures have further improved reconstruction in inverse problems by considering new dense priors learned from data. We propose a novel dense and sparse coding model that integrates both representation capability and discriminative features. The model studies the problem of recovering a dense vector $\mathbf{x}$ and a sparse vector $\mathbf{u}$ given measurements of the form $\mathbf{y} = \mathbf{A}\mathbf{x}+\mathbf{B}\mathbf{u}$. Our first analysis proposes a geometric condition based on the minimal angle between spanning subspaces corresponding to the matrices $\mathbf{A}$ and $\mathbf{B}$ that guarantees unique solution to the model. The second analysis shows that, under mild assumptions, a convex program recovers the dense and sparse components. We validate the effectiveness of the model on simulated data and propose a dense and sparse autoencoder (DenSaE) tailored to learning the dictionaries from the dense and sparse model. We demonstrate that (i) DenSaE denoises natural images better than architectures derived from the sparse coding model ($\mathbf{B}\mathbf{u}$), (ii) in the presence of noise, training the biases in the latter amounts to implicitly learning the $\mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{B}\mathbf{u}$ model, (iii) $\mathbf{A}$ and $\mathbf{B}$ capture low- and high-frequency contents, respectively, and (iv) compared to the sparse coding model, DenSaE offers a balance between discriminative power and representation.

Model-X条件随机测试是有条件独立性测试的通用框架，解锁了新的可能性，以发现与感兴趣的响应有条件相关的特征，同时控制I型错误率。该测试的一个吸引力的优势是，它可以与任何机器学习模型一起使用来设计强大的测试统计数据。反过来，Model-X文献中的常见实践是使用机器学习模型形成测试统计量，经过培训，以最大程度地提高预测精度，希望能够获得良好的功率测试。但是，这里的理想目标是推动模型（在训练期间）以最大程度地提高测试功能，而不仅仅是预测精度。在本文中，我们通过首次引入新型模型拟合方案来弥合这一差距，这些方案旨在明确提高Model-X测试的功能。这是通过引入新的成本函数来完成的，该功能旨在最大化用于衡量有条件独立性违反的测试统计量。使用合成和真实的数据集，我们证明了我们提出的损失函数与各种基本预测模型（Lasso，弹性网和深神经网络）的组合始终增加所获得的正确发现的数量，同时维持I型错误率下的I型错误率控制。

在依赖添加剂线性组合的模型中，出现了多个右侧（MNNL）的非负平方问题。特别是，它们是大多数非负矩阵分解算法的核心，并且具有许多应用。已知非负约束自然有利于稀疏性，即几乎没有零条目的解决方案。但是，它通常可以进一步增强这种稀疏性很有用，因为它可以提高结果的解释性并有助于减少噪声，从而导致稀疏的MNNL问题。在本文中，与大多数实施稀疏柱或行的大多数作品相反，我们首先引入了稀疏MNNL的新颖配方，并具有矩阵的稀疏性约束。然后，我们提出了一种两步算法来解决这个问题。第一步将稀疏的MNNL划分为子问题，每列的原始问题一列。然后，它使用不同的算法来确切或大约为每个子问题产生一个帕累托正面，即产生一组代表重建误差和稀疏性之间不同权衡的解决方案。第二步选择了这些帕累托前部之间的解决方案，以构建一个稀疏约束矩阵，以最大程度地减少重建误差。我们对面部和高光谱图像进行实验，我们表明我们提出的两步方法比最新的稀疏编码启发式方法提供了更准确的结果。

近年来，在诸如denoing，压缩感应，介入和超分辨率等反问题中使用深度学习方法的使用取得了重大进展。尽管这种作品主要是由实践算法和实验驱动的，但它也引起了各种有趣的理论问题。在本文中，我们调查了这一作品中一些突出的理论发展，尤其是生成先验，未经训练的神经网络先验和展开算法。除了总结这些主题中的现有结果外，我们还强调了一些持续的挑战和开放问题。

我们考虑具有稀疏限制的缓慢变化回归模型中参数估计问题。我们将问题标制作混合整数优化问题，并证明可以通过新颖的精确放松来完全作为二元凸优化问题的重整。放松利用摩洛队的逆转录的新平等渗透了非凸面目标函数，同时与所有可行的二进制点上的原始目标重合。这使我们能够通过切割平面型算法更有效地更有效地解决问题并以优化的优化。我们开发了一种高度优化的这种算法的实现，这基本上提高了直接实现的渐近计算复杂性。我们进一步开发了一种启发式方法，保证生产可行的解决方案，并且正如我们经验说明的那样，为二进制优化问题产生高质量的热启动解决方案。我们在合成和现实世界数据集上展示了所得算法优于各种度量的可比时期的竞争配方，包括采样超出预测性能，支持恢复精度和假阳性率。该算法使我们能够培训具有10,000个参数的模型，对噪声具有鲁棒，并且能够有效地捕获数据生成过程的潜在缓慢改变支持。

量子计算有可能彻底改变和改变我们的生活和理解世界的方式。该审查旨在提供对量子计算的可访问介绍，重点是统计和数据分析中的应用。我们从介绍了了解量子计算所需的基本概念以及量子和经典计算之间的差异。我们描述了用作量子算法的构建块的核心量子子程序。然后，我们审查了一系列预期的量子算法，以便在统计和机器学习中提供计算优势。我们突出了将量子计算应用于统计问题的挑战和机遇，并讨论潜在的未来研究方向。

在稀疏线性建模 - 最佳子集选择中，研究了一个看似意外的，相对不太理解的基本工具的过度选择，这最小化了对非零系数的约束的限制的剩余平方和。虽然当信噪比（SNR）高时，最佳子集选择过程通常被视为稀疏学习中的“黄金标准”，但是当SNR低时，其预测性能会恶化。特别是，它通过连续收缩方法而言，例如脊回归和套索。我们研究了高噪声制度中最佳子集选择的行为，并提出了一种基于最小二乘标准的正则化版本的替代方法。我们提出的估算员（a）在很大程度上减轻了高噪声制度的最佳次集选择的可预测性能差。 （b）相对于通过脊回归和套索的最佳预测模型，通常递送大幅稀疏模型的同时表现出有利的。我们对所提出的方法的预测性质进行广泛的理论分析，并在噪声水平高时提供相对于最佳子集选择的优越预测性能的理由。我们的估算器可以表达为混合整数二阶圆锥优化问题的解决方案，因此，来自数学优化的现代计算工具可供使用。

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.

We extend best-subset selection to linear Multi-Task Learning (MTL), where a set of linear models are jointly trained on a collection of datasets (``tasks''). Allowing the regression coefficients of tasks to have different sparsity patterns (i.e., different supports), we propose a modeling framework for MTL that encourages models to share information across tasks, for a given covariate, through separately 1) shrinking the coefficient supports together, and/or 2) shrinking the coefficient values together. This allows models to borrow strength during variable selection even when the coefficient values differ markedly between tasks. We express our modeling framework as a Mixed-Integer Program, and propose efficient and scalable algorithms based on block coordinate descent and combinatorial local search. We show our estimator achieves statistically optimal prediction rates. Importantly, our theory characterizes how our estimator leverages the shared support information across tasks to achieve better variable selection performance. We evaluate the performance of our method in simulations and two biology applications. Our proposed approaches outperform other sparse MTL methods in variable selection and prediction accuracy. Interestingly, penalties that shrink the supports together often outperform penalties that shrink the coefficient values together. We will release an R package implementing our methods.

我们探索稀疏优化问题的算法和局限性，例如稀疏线性回归和稳健的线性回归。稀疏线性回归问题的目的是确定少数关键特征，而强大的线性回归问题的目标是确定少量错误的测量值。具体而言，稀疏线性回归问题寻求$ k $ -sparse vector $ x \ in \ mathbb {r}^d $以最小化$ \ | ax-b \ | _2 $，给定输入矩阵$ a \ in \ mathbb in \ mathbb {r}^{n \ times d} $和一个目标向量$ b \ in \ mathbb {r}^n $，而强大的线性回归问题寻求一个$ s $ s $，最多可以忽略$ k $行和a向量$ x $最小化$ \ |（ax-b）_s \ | _2 $。我们首先显示了在[OWZ15]工作上稳健回归构建的近似近似值的双晶格，这意味着稀疏回归的结果相似。我们通过减少$ k $ clique的猜想，进一步显示出稳健回归的精细颗粒硬度。在正面，我们给出了一种鲁棒回归的算法，该算法可实现任意准确的添加误差，并使用运行时与从细粒硬度结果中的下界紧密匹配的运行时，以及与类似运行时稀疏回归的算法。我们的上限和下限都依赖于从鲁棒线性回归到我们引入的稀疏回归的一般减少。我们的算法受到3SUM问题的启发，使用大约最近的邻居数据结构，并且可能具有独立的兴趣来解决稀疏优化问题。例如，我们证明我们的技术也可以用于研究稀疏的PCA问题。

In model selection problems for machine learning, the desire for a well-performing model with meaningful structure is typically expressed through a regularized optimization problem. In many scenarios, however, the meaningful structure is specified in some discrete space, leading to difficult nonconvex optimization problems. In this paper, we connect the model selection problem with structure-promoting regularizers to submodular function minimization with continuous and discrete arguments. In particular, we leverage the theory of submodular functions to identify a class of these problems that can be solved exactly and efficiently with an agnostic combination of discrete and continuous optimization routines. We show how simple continuous or discrete constraints can also be handled for certain problem classes and extend these ideas to a robust optimization framework. We also show how some problems outside of this class can be embedded within the class, further extending the class of problems our framework can accommodate. Finally, we numerically validate our theoretical results with several proof-of-concept examples with synthetic and real-world data, comparing against state-of-the-art algorithms.

我们提出了一种监督学习稀疏促进正规化器的方法，以降低信号和图像。促进稀疏性正则化是解决现代信号重建问题的关键要素。但是，这些正规化器的基础操作员通常是通过手动设计的，要么以无监督的方式从数据中学到。监督学习（主要是卷积神经网络）在解决图像重建问题方面的最新成功表明，这可能是设计正规化器的富有成果的方法。为此，我们建议使用带有参数，稀疏的正规器的变异公式来贬低信号，其中学会了正常器的参数，以最大程度地减少在地面真实图像和测量对的训练集中重建的平均平方误差。培训涉及解决一个具有挑战性的双层优化问题；我们使用denoising问题的封闭形式解决方案得出了训练损失梯度的表达，并提供了随附的梯度下降算法以最大程度地减少其。我们使用结构化1D信号和自然图像的实验表明，所提出的方法可以学习一个超过众所周知的正规化器（总变化，DCT-SPARSITY和无监督的字典学习）的操作员和用于DeNoisis的协作过滤。尽管我们提出的方法是特定于denoising的，但我们认为它可以适应线性测量模型的较大类反问题，使其在广泛的信号重建设置中适用。

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。

最近有兴趣的兴趣在教师学生环境中的各种普遍性线性估计问题中的渐近重建性能研究，特别是对于I.I.D标准正常矩阵的案例。在这里，我们超越这些矩阵，并证明了具有具有任意界限频谱的旋转不变数据矩阵的凸遍的线性模型的重建性能的分析公式，严格地确认使用来自统计物理的副本衍生的猜想。该公式包括许多问题，例如压缩感测或稀疏物流分类。通过利用消息通过算法和迭代的统计特性来实现证明，允许表征估计器的渐近实证分布。我们的证据是基于构建Oracle多层向量近似消息传递算法的会聚序列的构建，其中通过检查等效动态系统的稳定性来完成收敛分析。我们说明了我们对主流学习方法的数值示例的要求，例如稀疏的逻辑回归和线性支持矢量分类器，显示中等大小模拟和渐近预测之间的良好一致性。

In recent years there has been a growing interest in the study of sparse representation of signals. Using an overcomplete dictionary that contains prototype signal-atoms, signals are described by sparse linear combinations of these atoms. Applications that use sparse representation are many and include compression, regularization in inverse problems, feature extraction, and more. Recent activity in this field has concentrated mainly on the study of pursuit algorithms that decompose signals with respect to a given dictionary. Designing dictionaries to better fit the above model can be done by either selecting one from a prespecified set of linear transforms or adapting the dictionary to a set of training signals. Both of these techniques have been considered, but this topic is largely still open. In this paper we propose a novel algorithm for adapting dictionaries in order to achieve sparse signal representations. Given a set of training signals, we seek the dictionary that leads to the best representation for each member in this set, under strict sparsity constraints. We present a new method-the K-SVD algorithm-generalizing the K-means clustering process. K-SVD is an iterative method that alternates between sparse coding of the examples based on the current dictionary and a process of updating the dictionary atoms to better fit the data. The update of the dictionary columns is combined with an update of the sparse representations, thereby accelerating convergence. The K-SVD algorithm is flexible and can work with any pursuit method (e.g., basis pursuit, FOCUSS, or matching pursuit). We analyze this algorithm and demonstrate its results both on synthetic tests and in applications on real image data.

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.

异常值广泛发生在大数据应用中，可能严重影响统计估计和推理。在本文中，引入了抗强估计的框架，以强制任意给出的损耗函数。它与修剪方法密切连接，并且包括所有样本的显式外围参数，这反过来促进计算，理论和参数调整。为了解决非凸起和非体性的问题，我们开发可扩展的算法，以实现轻松和保证快速收敛。特别地，提出了一种新的技术来缓解对起始点的要求，使得在常规数据集上，可以大大减少数据重采样的数量。基于组合的统计和计算处理，我们能够超越M估计来执行非因思分析。所获得的抗性估算器虽然不一定全局甚至是局部最佳的，但在低维度和高维度中享有最小的速率最优性。回归，分类和神经网络的实验表明，在总异常值发生的情况下提出了拟议方法的优异性能。

套索是一种高维回归的方法，当时，当协变量$ p $的订单数量或大于观测值$ n $时，通常使用它。由于两个基本原因，经典的渐近态性理论不适用于该模型：$（1）$正规风险是非平滑的； $（2）$估算器$ \ wideHat {\ boldsymbol {\ theta}} $与true参数vector $ \ boldsymbol {\ theta}^*$无法忽略。结果，标准的扰动论点是渐近正态性的传统基础。另一方面，套索估计器可以精确地以$ n $和$ p $大，$ n/p $的订单为一。这种表征首先是在使用I.I.D的高斯设计的情况下获得的。协变量：在这里，我们将其推广到具有非偏差协方差结构的高斯相关设计。这是根据更简单的``固定设计''模型表示的。我们在两个模型中各种数量的分布之间的距离上建立了非反应界限，它们在合适的稀疏类别中均匀地固定在信号上$ \ boldsymbol {\ theta}^*$。作为应用程序，我们研究了借助拉索的分布，并表明需要校正程度对于计算有效的置信区间是必要的。