在本文中，我们通过将Tausch-White小波的构建传输到数据领域来介绍SAMPLET的概念。这样我们就可以获得直接实现数据压缩，奇点检测和适应性的分立数据的多级表示。应用SAMPLETS表示内核矩阵，因为它们出现在基于内核的学习或高斯过程回归中，我们最终以准稀疏矩阵。通过阈值平衡小条目，这些矩阵可压缩为O（n log n）相关条目，其中n是数据点的数量。此功能允许使用填充还原重排蛋白以获得压缩矩阵的稀疏因子。除了全面介绍SAMPLETS及其属性外，我们还提供了广泛的数值研究，以基准方法。我们的结果表明，SAMPLETS在使大型数据集可访问的方向上标记了相当大的步骤。

We propose a novel method for constructing wavelet transforms of functions defined on the vertices of an arbitrary finite weighted graph. Our approach is based on defining scaling using the the graph analogue of the Fourier domain, namely the spectral decomposition of the discrete graph Laplacian L. Given a wavelet generating kernel g and a scale parameter t, we define the scaled wavelet operator T t g = g(tL). The spectral graph wavelets are then formed by localizing this operator by applying it to an indicator function. Subject to an admissibility condition on g, this procedure defines an invertible transform. We explore the localization properties of the wavelets in the limit of fine scales. Additionally, we present a fast Chebyshev polynomial approximation algorithm for computing the transform that avoids the need for diagonalizing L. We highlight potential applications of the transform through examples of wavelets on graphs corresponding to a variety of different problem domains.

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）。

图表表示学习有许多现实世界应用，从超级分辨率的成像，3D计算机视觉到药物重新扫描，蛋白质分类，社会网络分析。图表数据的足够表示对于图形结构数据的统计或机器学习模型的学习性能至关重要。在本文中，我们提出了一种用于图形数据的新型多尺度表示系统，称为抽取帧的图形数据，其在图表上形成了本地化的紧密框架。抽取的帧系统允许在粗粒链上存储图形数据表示，并在每个比例的多个尺度处处理图形数据，数据存储在子图中。基于此，我们通过建设性数据驱动滤波器组建立用于在多分辨率下分解和重建图数据的抽取G-Framewelet变换。图形帧构建基于基于链的正交基础，支持快速图傅里叶变换。由此，我们为抽取的G-Frameword变换或FGT提供了一种快速算法，该算法具有线性计算复杂度O（n），用于尺寸N的图表。用数值示例验证抽取的帧谱和FGT的理论，用于随机图形。现实世界应用的效果是展示的，包括用于交通网络的多分辨率分析，以及图形分类任务的图形神经网络。

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

随机kriging已被广泛用于模拟元模拟，以预测复杂模拟模型的响应表面。但是，它的使用仅限于设计空间低维的情况，因为通常，样品复杂性（即随机Kriging生成准确预测所需的设计点数量）在设计的维度上呈指数增长。空间。大型样本量导致运行模拟模型的过度样本成本和由于需要倒入大量协方差矩阵而引起的严重计算挑战。基于张量的马尔可夫内核和稀疏的网格实验设计，我们开发了一种新颖的方法，可极大地减轻维数的诅咒。我们表明，即使在模型错误指定下，提议的方法论的样本复杂性也仅在维度上略有增长。我们还开发了快速算法，这些算法以其精确形式计算随机kriging，而无需任何近似方案。我们通过广泛的数值实验证明，我们的方法可以通过超过10,000维的设计空间来处理问题，从而通过相对于典型的替代方法在实践中通过数量级来提高预测准确性和计算效率。

The polynomial kernels are widely used in machine learning and they are one of the default choices to develop kernel-based classification and regression models. However, they are rarely used and considered in numerical analysis due to their lack of strict positive definiteness. In particular they do not enjoy the usual property of unisolvency for arbitrary point sets, which is one of the key properties used to build kernel-based interpolation methods. This paper is devoted to establish some initial results for the study of these kernels, and their related interpolation algorithms, in the context of approximation theory. We will first prove necessary and sufficient conditions on point sets which guarantee the existence and uniqueness of an interpolant. We will then study the Reproducing Kernel Hilbert Spaces (or native spaces) of these kernels and their norms, and provide inclusion relations between spaces corresponding to different kernel parameters. With these spaces at hand, it will be further possible to derive generic error estimates which apply to sufficiently smooth functions, thus escaping the native space. Finally, we will show how to employ an efficient stable algorithm to these kernels to obtain accurate interpolants, and we will test them in some numerical experiment. After this analysis several computational and theoretical aspects remain open, and we will outline possible further research directions in a concluding section. This work builds some bridges between kernel and polynomial interpolation, two topics to which the authors, to different extents, have been introduced under the supervision or through the work of Stefano De Marchi. For this reason, they wish to dedicate this work to him in the occasion of his 60th birthday.

In this work we study the asymptotic consistency of the weak-form sparse identification of nonlinear dynamics algorithm (WSINDy) in the identification of differential equations from noisy samples of solutions. We prove that the WSINDy estimator is unconditionally asymptotically consistent for a wide class of models which includes the Navier-Stokes equations and the Kuramoto-Sivashinsky equation. We thus provide a mathematically rigorous explanation for the observed robustness to noise of weak-form equation learning. Conversely, we also show that in general the WSINDy estimator is only conditionally asymptotically consistent, yielding discovery of spurious terms with probability one if the noise level is above some critical threshold and the nonlinearities exhibit sufficiently fast growth. We derive explicit bounds on the critical noise threshold in the case of Gaussian white noise and provide an explicit characterization of these spurious terms in the case of trigonometric and/or polynomial model nonlinearities. However, a silver lining to this negative result is that if the data is suitably denoised (a simple moving average filter is sufficient), then we recover unconditional asymptotic consistency on the class of models with locally-Lipschitz nonlinearities. Altogether, our results reveal several important aspects of weak-form equation learning which may be used to improve future algorithms. We demonstrate our results numerically using the Lorenz system, the cubic oscillator, a viscous Burgers growth model, and a Kuramoto-Sivashinsky-type higher-order PDE.

我们为函数开发启发式插值方法$ t \ mapsto \ log \ det \ left（\ mathbf {a} + t \ t \ mathbf {b} \ right）$和$ t \ mapsto \ mapsto \ operatatorNAME {trace}Mathbf {a} + t \ mathbf {b}）^{p} \ right）$，其中矩阵$ \ mathbf {a} $ and $ \ mathbf {b} $是Hermitian and Hermitian and阳性（semi）和$ P $$ t $是实际变量。这些功能在统计，机器学习和计算物理学的许多应用中都有特征。提出的插值函数基于对这些函数的尖锐边界的修改。我们通过数值示例证明了所提出的方法的准确性和性能，即高斯过程回归的边际最大似然估计以及用广义交叉验证方法对脊回归的正则参数的估计。

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.

度量的运输提供了一种用于建模复杂概率分布的多功能方法，并具有密度估计，贝叶斯推理，生成建模及其他方法的应用。单调三角传输地图$ \ unicode {x2014} $近似值$ \ unicode {x2013} $ rosenblatt（kr）重新安排$ \ unicode {x2014} $是这些任务的规范选择。然而，此类地图的表示和参数化对它们的一般性和表现力以及对从数据学习地图学习（例如，通过最大似然估计）出现的优化问题的属性产生了重大影响。我们提出了一个通用框架，用于通过平滑函数的可逆变换来表示单调三角图。我们建立了有关转化的条件，以使相关的无限维度最小化问题没有伪造的局部最小值，即所有局部最小值都是全球最小值。我们展示了满足某些尾巴条件的目标分布，唯一的全局最小化器与KR地图相对应。鉴于来自目标的样品，我们提出了一种自适应算法，该算法估计了基础KR映射的稀疏半参数近似。我们证明了如何将该框架应用于关节和条件密度估计，无可能的推断以及有向图形模型的结构学习，并在一系列样本量之间具有稳定的概括性能。

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.

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。

许多众所周知的矩阵$ Z $与FORMS $ z = x ^ j \ ldots x ^ 1 $相对应的快速变换相关联，其中每个因素$ x ^ \ ell $稀疏和可能结构化。本文研究了这种因素的基本独特性。我们的第一个主要贡献是证明具有所谓的蝴蝶结构的任何$ n \ times n $矩阵承认为$ j $蝴蝶因子（其中$ n = 2 ^ $），并且这些因素可以是通过分层分解方法恢复。这与现有的方法形成对比，其通过梯度下降将蝴蝶因子产品拟合到给定基质的乘积。该提出的方法可以特别应用于检索Hadamard或离散傅里叶变换矩阵的尺寸为2 ^ j $的分解。计算此类构建的成本$ \ mathcal {o}（n ^ 2）$，它是密集矩阵 - 矢量乘法的顺序，而获得的因子化使能快速$ \ mathcal {o}（n \ log n）$矩阵 - 矢量乘法。此分层标识性属性依赖于最近建立的两层和固定支持设置中的简单标识性条件。虽然蝴蝶结构对应于每个因素的固定规定的支撑，但我们的第二款贡献是通过允许的稀疏模式的更多普通家庭获得可识别性结果，同时考虑到不可避免的诽谤歧义。通常，我们通过分层范式展示了分离傅里叶变换矩阵的蝴蝶分解矩阵为2 ^ j $承认为$ 2 $ 2 $-al-dialAlysity的$ 2 $-ad-assity时，将独特的稀疏因子分解为$ j $ factors。关于每个因素。

许多现代数据集，从神经影像和地统计数据等领域都以张量数据的随机样本的形式来说，这可以被理解为对光滑的多维随机功能的嘈杂观察。来自功能数据分析的大多数传统技术被维度的诅咒困扰，并且随着域的尺寸增加而迅速变得棘手。在本文中，我们提出了一种学习从多维功能数据样本的持续陈述的框架，这些功能是免受诅咒的几种表现形式的。这些表示由一组可分离的基函数构造，该函数被定义为最佳地适应数据。我们表明，通过仔细定义的数据的仔细定义的减少转换的张测仪分解可以有效地解决所得到的估计问题。使用基于差分运算符的惩罚，并入粗糙的正则化。也建立了相关的理论性质。在模拟研究中证明了我们对竞争方法的方法的优点。我们在神经影像动物中得出真正的数据应用。

在此备忘录中，我们开发了一般框架，它允许同时研究$ \ MathBB R ^ D $和惠特尼在$ \ Mathbb r的离散和非离散子集附近的insoctry扩展问题附近的标签和未标记的近对准数据问题。^ d $与某些几何形状。此外，我们调查了与集群，维度减少，流形学习，视觉以及最小的能量分区，差异和最小最大优化的相关工作。给出了谐波分析，计算机视觉，歧管学习和与我们工作的信号处理中的众多开放问题。本发明内容中的一部分工作基于纸张中查尔斯Fefferman的联合研究[48]，[49]，[50]，[51]。

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。

本论文主要涉及解决深层（时间）高斯过程（DGP）回归问题的状态空间方法。更具体地，我们代表DGP作为分层组合的随机微分方程（SDES），并且我们通过使用状态空间过滤和平滑方法来解决DGP回归问题。由此产生的状态空间DGP（SS-DGP）模型生成丰富的电视等级，与建模许多不规则信号/功能兼容。此外，由于他们的马尔可道结构，通过使用贝叶斯滤波和平滑方法可以有效地解决SS-DGPS回归问题。本论文的第二次贡献是我们通过使用泰勒力矩膨胀（TME）方法来解决连续离散高斯滤波和平滑问题。这诱导了一类滤波器和SmooThers，其可以渐近地精确地预测随机微分方程（SDES）解决方案的平均值和协方差。此外，TME方法和TME过滤器和SmoOthers兼容模拟SS-DGP并解决其回归问题。最后，本文具有多种状态 - 空间（深）GPS的应用。这些应用主要包括（i）来自部分观察到的轨迹的SDES的未知漂移功能和信号的光谱 - 时间特征估计。

散射变换是一种基于小波的多层转换，最初是作为卷积神经网络（CNN）的模型引入的，它在我们对这些网络稳定性和不变性属性的理解中发挥了基础作用。随后，人们普遍兴趣将CNN的成功扩展到具有非欧盟结构的数据集，例如图形和歧管，从而导致了几何深度学习的新兴领域。为了提高我们对这个新领域中使用的体系结构的理解，几篇论文提出了对非欧几里得数据结构（如无方向的图形和紧凑的Riemannian歧管）的散射转换的概括。在本文中，我们介绍了一个通用的统一模型，用于测量空间上的几何散射。我们提出的框架包括以前的几何散射作品作为特殊情况，但也适用于更通用的设置，例如有向图，签名图和带边界的歧管。我们提出了一个新标准，该标准可以识别哪些有用表示应该不变的组，并表明该标准足以确保散射变换具有理想的稳定性和不变性属性。此外，我们考虑从随机采样未知歧管获得的有限度量空间。我们提出了两种构造数据驱动图的方法，在该图上相关的图形散射转换近似于基础歧管上的散射变换。此外，我们使用基于扩散图的方法来证明这些近似值之一的收敛速率的定量估计值，因为样品点的数量趋向于无穷大。最后，我们在球形图像，有向图和高维单细胞数据上展示了方法的实用性。