We reformulate unsupervised dimension reduction problem (UDR) in the language of tempered distributions, i.e. as a problem of approximating an empirical probability density function by another tempered distribution, supported in a $k$-dimensional subspace. We show that this task is connected with another classical problem of data science -- the sufficient dimension reduction problem (SDR). In fact, an algorithm for the first problem induces an algorithm for the second and vice versa. In order to reduce an optimization problem over distributions to an optimization problem over ordinary functions we introduce a nonnegative penalty function that ``forces'' the support of the model distribution to be $k$-dimensional. Then we present an algorithm for the minimization of the penalized objective, based on the infinite-dimensional low-rank optimization, which we call the alternating scheme. Also, we design an efficient approximate algorithm for a special case of the problem, where the distance between the empirical distribution and the model distribution is measured by Maximum Mean Discrepancy defined by a Mercer kernel of a certain type. We test our methods on four examples (three UDR and one SDR) using synthetic data and standard datasets.

比较概率分布是许多机器学习算法的关键。最大平均差异（MMD）和最佳运输距离（OT）是在过去几年吸引丰富的关注的概率措施之间的两类距离。本文建立了一些条件，可以通过MMD规范控制Wassersein距离。我们的作品受到压缩统计学习（CSL）理论的推动，资源有效的大规模学习的一般框架，其中训练数据总结在单个向量（称为草图）中，该训练数据捕获与所考虑的学习任务相关的信息。在CSL中的现有结果启发，我们介绍了H \“较旧的较低限制的等距属性（H \”较旧的LRIP）并表明这家属性具有有趣的保证对压缩统计学习。基于MMD与Wassersein距离之间的关系，我们通过引入和研究学习任务的Wassersein可读性的概念来提供压缩统计学习的保证，即概率分布之间的某些特定于特定的特定度量，可以由Wassersein界定距离。

本文介绍了一种新的基于仿真的推理程序，以对访问I.I.D. \ samples的多维概率分布进行建模和样本，从而规避明确建模密度函数或设计Markov Chain Monte Carlo的通常方法。我们提出了一个称为可逆的Gromov-monge（RGM）距离的新概念的距离和同构的动机，并研究了RGM如何用于设计新的转换样本，以执行基于模拟的推断。我们的RGM采样器还可以估计两个异质度量度量空间之间的最佳对齐$（\ cx，\ mu，c _ {\ cx}）$和$（\ cy，\ cy，\ nu，c _ {\ cy}）$从经验数据集中，估计的地图大约将一个量度$ \ mu $推向另一个$ \ nu $，反之亦然。我们研究了RGM距离的分析特性，并在轻度条件下得出RGM等于经典的Gromov-Wasserstein距离。奇怪的是，与Brenier的两极分解结合了连接，我们表明RGM采样器以$ C _ {\ cx} $和$ C _ {\ cy} $的正确选择诱导了强度同构的偏见。研究了有关诱导采样器的收敛，表示和优化问题的统计率。还展示了展示RGM采样器有效性的合成和现实示例。

内核方法是机器学习中最流行的技术之一，使用再现内核希尔伯特空间（RKHS）的属性来解决学习任务。在本文中，我们提出了一种新的数据分析框架，与再现内核Hilbert $ C ^ * $ - 模块（rkhm）和rkhm中的内核嵌入（kme）。由于RKHM包含比RKHS或VVRKHS）的更丰富的信息，因此使用RKHM的分析使我们能够捕获和提取诸如功能数据的结构属性。我们向RKHM展示了rkhm理论的分支，以适用于数据分析，包括代表性定理，以及所提出的KME的注射性和普遍性。我们还显示RKHM概括RKHS和VVRKHS。然后，我们提供采用RKHM和提议的KME对数据分析的具体程序。

概率分布之间的差异措施，通常被称为统计距离，在概率理论，统计和机器学习中普遍存在。为了在估计这些距离的距离时，对维度的诅咒，最近的工作已经提出了通过带有高斯内核的卷积在测量的分布中平滑局部不规则性。通过该框架的可扩展性至高维度，我们研究了高斯平滑$ P $ -wassersein距离$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）} $的结构和统计行为，用于任意$ p \ GEQ 1 $。在建立$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）} $的基本度量和拓扑属性之后，我们探索$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）}（\ hat {\ mu} _n，\ mu）$，其中$ \ hat {\ mu} _n $是$ n $独立观察的实证分布$ \ mu $。我们证明$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）} $享受$ n ^ { - 1/2} $的参数经验融合速率，这对比$ n ^ { - 1 / d} $率对于未平滑的$ \ mathsf {w} _p $ why $ d \ geq 3 $。我们的证明依赖于控制$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）} $ by $ p $ th-sting spoollow sobolev restion $ \ mathsf {d} _p ^ {（\ sigma）} $并导出限制$ \ sqrt {n} \，\ mathsf {d} _p ^ {（\ sigma）}（\ hat {\ mu} _n，\ mu）$，适用于所有尺寸$ d $。作为应用程序，我们提供了使用$ \ mathsf {w} _p ^ {（\ sigma）} $的两个样本测试和最小距离估计的渐近保证，使用$ p = 2 $的实验使用$ \ mathsf {d} _2 ^ {（\ sigma）} $。

我们将最初在多维扩展和降低多元数据的降低领域发展为功能设置。我们专注于经典缩放和ISOMAP - 在这些领域中起重要作用的原型方法 - 并在功能数据分析的背景下展示它们的使用。在此过程中，我们强调了环境公制扮演的关键作用。

这项调查旨在提供线性模型及其背后的理论的介绍。我们的目标是对读者进行严格的介绍，并事先接触普通最小二乘。在机器学习中，输出通常是输入的非线性函数。深度学习甚至旨在找到需要大量计算的许多层的非线性依赖性。但是，这些算法中的大多数都基于简单的线性模型。然后，我们从不同视图中描述线性模型，并找到模型背后的属性和理论。线性模型是回归问题中的主要技术，其主要工具是最小平方近似，可最大程度地减少平方误差之和。当我们有兴趣找到回归函数时，这是一个自然的选择，该回归函数可以最大程度地减少相应的预期平方误差。这项调查主要是目的的摘要，即线性模型背后的重要理论的重要性，例如分布理论，最小方差估计器。我们首先从三种不同的角度描述了普通的最小二乘，我们会以随机噪声和高斯噪声干扰模型。通过高斯噪声，该模型产生了可能性，因此我们引入了最大似然估计器。它还通过这种高斯干扰发展了一些分布理论。最小二乘的分布理论将帮助我们回答各种问题并引入相关应用。然后，我们证明最小二乘是均值误差的最佳无偏线性模型，最重要的是，它实际上接近了理论上的极限。我们最终以贝叶斯方法及以后的线性模型结束。

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.

我们介绍了一类小说的预计方法，对实际线上的概率分布数据集进行统计分析，具有2-Wassersein指标。我们特别关注主成分分析（PCA）和回归。为了定义这些模型，我们通过将数据映射到合适的线性空间并使用度量投影运算符来限制Wassersein空间中的结果来利用与其弱利米结构密切相关的Wasserstein空间的表示。通过仔细选择切线，我们能够推出快速的经验方法，利用受约束的B样条近似。作为我们方法的副产品，我们还能够为PCA的PCA进行更快的例程来获得分布。通过仿真研究，我们将我们的方法与先前提出的方法进行比较，表明我们预计的PCA具有类似的性能，即使在拼盘下也是极其灵活的。研究了模型的若干理论性质，并证明了渐近一致性。讨论了两个真实世界应用于美国和风速预测的Covid-19死亡率。

矢量值随机变量的矩序列可以表征其定律。我们通过使用所谓的稳健签名矩来研究路径值随机变量（即随机过程）的类似问题。这使我们能够为随机过程定律得出最大平均差异类型的度量，并研究其在随机过程定律方面引起的拓扑。可以使用签名内核对该度量进行内核，从而有效地计算它。作为应用程序，我们为随机过程定律提供了非参数的两样本假设检验。

我们研究了趋势过滤的多元版本，称为Kronecker趋势过滤或KTF，因为设计点以$ D $维度形成格子。 KTF是单变量趋势过滤的自然延伸（Steidl等，2006; Kim等人，2009; Tibshirani，2014），并通过最大限度地减少惩罚最小二乘问题，其罚款术语总和绝对（高阶）沿每个坐标方向估计参数的差异。相应的惩罚运算符可以编写单次趋势过滤惩罚运营商的Kronecker产品，因此名称Kronecker趋势过滤。等效，可以在$ \ ell_1 $ -penalized基础回归问题上查看KTF，其中基本功能是下降阶段函数的张量产品，是一个分段多项式（离散样条）基础，基于单变量趋势过滤。本文是Sadhanala等人的统一和延伸结果。 （2016,2017）。我们开发了一套完整的理论结果，描述了$ k \ grone 0 $和$ d \ geq 1 $的$ k ^ {\ mathrm {th}} $ over kronecker趋势过滤的行为。这揭示了许多有趣的现象，包括KTF在估计异构平滑的功能时KTF的优势，并且在$ d = 2（k + 1）$的相位过渡，一个边界过去（在高维对 - 光滑侧）线性泡沫不能完全保持一致。我们还利用Tibshirani（2020）的离散花键来利用最近的结果，特别是离散的花键插值结果，使我们能够将KTF估计扩展到恒定时间内的任何偏离晶格位置（与晶格数量的大小无关）。

对于函数的矩阵或凸起的正半明确度（PSD）的形状约束在机器学习和科学的许多应用中起着核心作用，包括公制学习，最佳运输和经济学。然而，存在很少的功能模型，以良好的经验性能和理论担保来强制执行PSD-NESS或凸起。在本文中，我们介绍了用于在PSD锥中的值的函数的内核平方模型，其扩展了最近建议编码非负标量函数的内核平方型号。我们为这类PSD函数提供了一个代表性定理，表明它构成了PSD函数的普遍近似器，并在限定的平等约束的情况下导出特征值界限。然后，我们将结果应用于建模凸起函数，通过执行其Hessian的核心量子表示，并表明可以因此表示任何平滑且强凸的功能。最后，我们说明了我们在PSD矩阵值回归任务中的方法以及标准值凸起回归。

由于数据的注释可以在大规模的实际问题中稀缺，利用未标记的示例是机器学习中最重要的方面之一。这是半监督学习的目的。从访问未标记数据的访问中受益，它很自然地弥漫将标记数据平稳地知识到未标记的数据。这诱导了Laplacian正规化的使用。然而，Laplacian正则化的当前实施遭受了几种缺点，特别是众所周知的维度诅咒。在本文中，我们提供了统计分析以克服这些问题，并揭示了具有所需行为的大型光谱滤波方法。它们通过（再现）内核方法来实现，我们提供了现实的计算指南，以使我们的方法可用于大量数据。

对于由缺陷线性回归中的标签噪声引起的预期平均平方概率，我们证明了无渐近分布的下限。我们的下部结合概括了过度公共数据（内插）制度的类似已知结果。与最先前的作品相比，我们的分析适用于广泛的输入分布，几乎肯定的全排列功能矩阵，允许我们涵盖各种类型的确定性或随机特征映射。我们的下限是渐近的锐利，暗示在存在标签噪声时，缺陷的线性回归不会在任何这些特征映射中围绕内插阈值进行良好的。我们详细分析了强加的假设，并为分析（随机）特征映射提供了理论。使用此理论，我们可以表明我们的假设对于具有（Lebesgue）密度的输入分布以及随机深神经网络给出的特征映射，具有Sigmoid，Tanh，SoftPlus或Gelu等分析激活功能。作为进一步的例子，我们示出了来自随机傅里叶特征和多项式内核的特征映射也满足我们的假设。通过进一步的实验和分析结果，我们补充了我们的理论。

生成的对策网络是一种流行的方法，用于通过根据已知分发的函数来建立目标分布来从数据学习分布的流行方法。经常被称为发电机的功能优化，以最小化所生成和目标分布之间的所选距离测量。这种目的的一个常用措施是Wassersein距离。然而，Wassersein距离难以计算和优化，并且在实践中，使用熵正则化技术来改善数值趋同。然而，正规化对学到的解决方案的影响仍未得到很好的理解。在本文中，我们研究了Wassersein距离的几个流行的熵正规提出如何在一个简单的基准设置中冲击解决方案，其中发电机是线性的，目标分布是高维高斯的。我们表明，熵正则化促进了解决方案稀疏化，同时更换了与秸秆角偏差的Wasserstein距离恢复了不断的解决方案。两种正则化技术都消除了Wasserstein距离所遭受的维度的诅咒。我们表明，可以从目标分布中学习最佳发电机，以$ O（1 / \ epsilon ^ 2）$ samples从目标分布中学习。因此，我们得出结论，这些正则化技术可以提高来自大量分布的经验数据的发电机的质量。

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.

We consider the problem of estimating a multivariate function $f_0$ of bounded variation (BV), from noisy observations $y_i = f_0(x_i) + z_i$ made at random design points $x_i \in \mathbb{R}^d$, $i=1,\ldots,n$. We study an estimator that forms the Voronoi diagram of the design points, and then solves an optimization problem that regularizes according to a certain discrete notion of total variation (TV): the sum of weighted absolute differences of parameters $\theta_i,\theta_j$ (which estimate the function values $f_0(x_i),f_0(x_j)$) at all neighboring cells $i,j$ in the Voronoi diagram. This is seen to be equivalent to a variational optimization problem that regularizes according to the usual continuum (measure-theoretic) notion of TV, once we restrict the domain to functions that are piecewise constant over the Voronoi diagram. The regression estimator under consideration hence performs (shrunken) local averaging over adaptively formed unions of Voronoi cells, and we refer to it as the Voronoigram, following the ideas in Koenker (2005), and drawing inspiration from Tukey's regressogram (Tukey, 1961). Our contributions in this paper span both the conceptual and theoretical frontiers: we discuss some of the unique properties of the Voronoigram in comparison to TV-regularized estimators that use other graph-based discretizations; we derive the asymptotic limit of the Voronoi TV functional; and we prove that the Voronoigram is minimax rate optimal (up to log factors) for estimating BV functions that are essentially bounded.

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

We study a class of dynamical systems modelled as Markov chains that admit an invariant distribution via the corresponding transfer, or Koopman, operator. While data-driven algorithms to reconstruct such operators are well known, their relationship with statistical learning is largely unexplored. We formalize a framework to learn the Koopman operator from finite data trajectories of the dynamical system. We consider the restriction of this operator to a reproducing kernel Hilbert space and introduce a notion of risk, from which different estimators naturally arise. We link the risk with the estimation of the spectral decomposition of the Koopman operator. These observations motivate a reduced-rank operator regression (RRR) estimator. We derive learning bounds for the proposed estimator, holding both in i.i.d. and non i.i.d. settings, the latter in terms of mixing coefficients. Our results suggest RRR might be beneficial over other widely used estimators as confirmed in numerical experiments both for forecasting and mode decomposition.

协方差估计在功能数据分析中普遍存在。然而，对多维域的功能观测的情况引入了计算和统计挑战，使标准方法有效地不适用。为了解决这个问题，我们将“协方差网络”（CoVNet）介绍为建模和估算工具。 Covnet模型是“Universal” - 它可用于近似于达到所需精度的任何协方差。此外，该模型可以有效地拟合到数据，其神经网络架构允许我们在实现中采用现代计算工具。 Covnet模型还承认了一个封闭形式的实体分解，可以有效地计算，而不构建协方差本身。这有助于在CoVnet的背景下轻松存储和随后操纵协方差。我们建立了拟议估计者的一致性，得出了汇合速度。通过广泛的仿真研究和休息状态FMRI数据的应用，证明了所提出的方法的有用性。