大量矢量场数据集在多光谱光学传感器和雷达传感器以及现代多模式MRI数据中很常见，以及许多其他应用领域。在本文中，我们开发了一种新型的随机功能分析方法，用于基于具有多波段矢量磁场数据的域名域名随机行为的协方差结构来检测异常。最佳矢量场karhunen-loeve（KL）扩展应用于此类随机字段数据。一系列多级正交功能子空间是根据域的几何形状构建的，该域的几何形状是根据KL扩展的。通过在多级基础上检查随机场的投影来实现检测。可以根据本地和全球信息在适当的规范空间中量化异常。此外，可靠的假设检验是由可控的分布形成的，这些分布不需要事先对数据的概率分布的假设。仅需要协方差函数，这可以显着简单地估计。此外，这种方法允许基于随机向量的异常融合而不会丢失任何信息。该方法应用于亚马逊森林中森林砍伐和退化的重要问题。这是一个复杂的非单调过程，因为森林可以降解和恢复。通过当前掩盖算法难以消除的云的存在进一步使这个特殊的问题更加复杂。使用Sentinel 2的多光谱卫星数据，构造了多级过滤器，并将异常视为与森林初始状态的偏差。森林异常通过可靠的假设检验量化，并与诸如云覆盖之类的错误变化区分开。我们的方法显示了在矢量化的复合物中使用多个数据频段的优点，从而超过了基于标量的方法的能力，从而使更好的异常检测。

共形预测（CP）是一种多功能的非参数框架，用于量化预测问题中的不确定性。在这项工作中，我们通过首次提出可以应用于时间不断发展的表面，将这种方法扩展到在双变量域上定义的时间序列函数的情况。为了获得有意义有效的预测区域，CP必须与准确的预测算法结合使用，因此，我们扩展了希尔伯特空间中自回旋过程的理论理论，以允许具有双变量域的功能。考虑到该主题的新颖性，我们提出了功能自回旋模型（FAR）的估计技术。实施了仿真研究，以研究不同的点预测因子如何影响所得的预测频段。最后，我们探索了真正数据集中拟议方法的利益和限制，在过去的二十年中，每天都会观察到黑海的海平面异常。

提出了用于基于合奏的估计和模拟高维动力系统（例如海洋或大气流）的方法学框架。为此，动态系统嵌入了一个由动力学驱动的内核功能的繁殖核Hilbert空间的家族中。这个家庭因其吸引人的财产而被昵称为仙境。在梦游仙境中，Koopman和Perron-Frobenius操作员是统一且均匀的。该属性保证它们可以在一系列可对角线的无限发电机中表达。访问Lyapunov指数和切线线性动力学的精确集合表达式也可以直接可用。仙境使我们能够根据轨迹样本的恒定时间线性组合来设计出惊人的简单集合数据同化方法。通过几个基本定理的完全合理的叠加原则，使这种令人尴尬的简单策略成为可能。

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.

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。

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。

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。

基于签名的技术使数学洞察力洞悉不断发展的数据的复杂流之间的相互作用。这些见解可以自然地转化为理解流数据的数值方法，也许是由于它们的数学精度，已被证明在数据不规则而不是固定的情况下分析流的数据以及数据和数据的尺寸很有用样本量均为中等。了解流的多模式数据是指数的：$ d $ d $的字母中的$ n $字母中的一个单词可以是$ d^n $消息之一。签名消除了通过采样不规则性引起的指数级噪声，但仍然存在指数量的信息。这项调查旨在留在可以直接管理指数缩放的域中。在许多问题中，可伸缩性问题是一个重要的挑战，但需要另一篇调查文章和进一步的想法。这项调查描述了一系列环境集足够小以消除大规模机器学习的可能性，并且可以有效地使用一小部分免费上下文和原则性功能。工具的数学性质可以使他们对非数学家的使用恐吓。本文中介绍的示例旨在弥合此通信差距，并提供从机器学习环境中绘制的可进行的工作示例。笔记本可以在线提供这些示例中的一些。这项调查是基于伊利亚·雪佛兰（Ilya Chevryev）和安德烈·科米利津（Andrey Kormilitzin）的早期论文，它们在这种机械开发的较早时刻大致相似。本文说明了签名提供的理论见解是如何在对应用程序数据的分析中简单地实现的，这种方式在很大程度上对数据类型不可知。

异常检测是识别数据集中异常实例或事件的过程，这些情况偏离了规范。在本研究中，我们提出了一种基于机器学习算法的签名，以检测给定数据集的稀有或意外项目。我们将签名或随机签名的应用作为异常检测算法的特征提取器;此外，我们为随机签名构建提供了简单的，表示的理论理由。我们的第一个申请基于合成数据，旨在区分股票价格的实际和假轨迹，这是通过目视检查无法区分的。我们还通过使用加密货币市场的交易数据来显示实际应用程序。在这种情况下，我们能够通过无监督的学习算法识别在社交网络上组织的泵和转储尝试，该算法高达88％，从而实现了靠近现场最先进的结果基于监督学习。

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。

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.

多变量功能数据的协方差结构可以高度复杂，特别是如果多变量维度大，则使标准多变量数据的统计方法的扩展到功能数据设置具有挑战性。例如，通过将多变量方法应用于截断的基础扩展系数，最近已经扩展到高斯图形模型。然而，与多变量数据相比的关键难度是协方差操作员紧凑，因此不可逆转。本文中的方法论地解决了多元函数数据的协方差建模的一般问题，特别是特定功能性高斯图形模型。作为第一步，提出了多变量功能数据的协方差运算符的可分离性的新概念，称为部分可分离性，导致这种数据的新型Karhunen-Lo \“Eve型扩展。接下来，示出部分可分离结构是特别有用的，以提供可以用一系列有限维图形模型，每个相同的固定尺寸识别的明确定义的功能高斯图形模型。这通过应用联合图形套索来激发一个简单有效的估计过程。通过在电机任务期间的模拟和分析功能性脑连接的仿真和分析来评估图形模型估计方法的经验性能。通过在电机任务期间的仿真和分析来评估图形模型估计方法的百分比实证性能。

We consider autocovariance operators of a stationary stochastic process on a Polish space that is embedded into a reproducing kernel Hilbert space. We investigate how empirical estimates of these operators converge along realizations of the process under various conditions. In particular, we examine ergodic and strongly mixing processes and obtain several asymptotic results as well as finite sample error bounds. We provide applications of our theory in terms of consistency results for kernel PCA with dependent data and the conditional mean embedding of transition probabilities. Finally, we use our approach to examine the nonparametric estimation of Markov transition operators and highlight how our theory can give a consistency analysis for a large family of spectral analysis methods including kernel-based dynamic mode decomposition.

该行业许多领域的自动化越来越多地要求为检测异常事件设计有效的机器学习解决方案。随着传感器的普遍存在传感器监测几乎连续地区的复杂基础设施的健康，异常检测现在可以依赖于以非常高的频率进行采样的测量，从而提供了在监视下的现象的非常丰富的代表性。为了充分利用如此收集的信息，观察不能再被视为多变量数据，并且需要一个功能分析方法。本文的目的是探讨近期对实际数据集的功能设置中异常检测技术的性能。在概述最先进的和视觉描述性研究之后，比较各种异常检测方法。虽然功能设置中的异常分类（例如，形状，位置）在文献中记录，但为所识别的异常分配特定类型似乎是一个具有挑战性的任务。因此，鉴于模拟研究中的这些突出显示类型，现有方法的强度和弱点是基准测试。接下来在两个数据集上评估异常检测方法，与飞行中的直升机监测和建筑材料的光谱相同有关。基准分析由从业者的建议指导结束。

神经操作员是科学机器学习中一种流行的技术，可以从数据中学习未知物理系统行为的数学模型。当数值求解器不可用或对基础物理学的理解不佳时，神经运算符对于学习与局部微分方程（PDE）相关的解决方案运算符特别有用。在这项工作中，我们试图提供理论基础，以了解学习时间依赖性PDE所需的培训数据量。从任何空间尺寸$ n \ geq 1 $中的抛物线PDE中给定输入输出对，我们得出了学习相关解决方案运算符的第一个理论上严格的方案，该方案采取了带有绿色功能$ g $的卷积的形式。到目前为止，严格学习与时间相关PDE相关的Green的功能一直是科学机器学习领域的主要挑战。通过将$ g $的层次低级结构与随机数字线性代数结合在一起，我们构建了$ g $的近似值，该$ g $实现了$ \ smash {\ smash {\ smashcal {\ mathcal {o}（\ gamma_ \ epsilon^epsilon^{ - 1/2} \ epsilon）}} $在$ l^1 $ -NORM中具有高概率，最多可以使用$ \ smash {\ MathCal {\ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - \ frac {n+2} {2} {2} {2} {2} {2} {2} } \ log（1/\ epsilon））}} $输入输出培训对，其中$ \ gamma_ \ epsilon $是衡量学习$ g $的培训数据集质量的量度，而$ \ epsilon> 0 $就足够了小的。

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。

内核Stein差异（KSD）是一种基于内核的广泛使用概率指标之间差异的非参数量度。它通常在用户从候选概率度量中收集的样本集合的情况下使用，并希望将它们与指定的目标概率度量进行比较。 KSD的一个有用属性是，它可以仅从候选度量的样本中计算出来，并且不知道目标度量的正常化常数。 KSD已用于一系列设置，包括合适的测试，参数推断，MCMC输出评估和生成建模。当前KSD方法论的两个主要问题是（i）超出有限维度欧几里得环境之外的适用性以及（ii）缺乏影响KSD性能的清晰度。本文提供了KSD的新频谱表示，这两种补救措施都使KSD适用于希尔伯特（Hilbert）评估数据，并揭示了内核和Stein oterator Choice对KSD的影响。我们通过在许多合成数据实验中对各种高斯和非高斯功能模型进行拟合优度测试来证明所提出的方法的功效。

库存记录不正确，经常发生，某些措施的年销售额约为4％。手动检测库存不准确性的成本较高，现有算法解决方案几乎完全依赖于从纵向数据中学习，这在现代零售操作引起的动态环境中不足。取而代之的是，我们提出了基于商店和SKU上的横截面数据的解决方案，观察到检测库存不准确性可以被视为识别（低级别）泊松矩阵中异常的问题。在低级别矩阵中检测到的最先进的方法显然不足。具体而言，从理论的角度来看，这些方法的恢复保证要求需要观察到无反对的条目，而噪音消失了（在我们的问题中，在许多应用中都不是这种情况）。如此有动力，我们提出了一种在概念上简单的入门方法，以在低级别的泊松矩阵中进行异常检测。我们的方法适合一类概率异常模型。我们表明，我们的算法所产生的成本以最低最佳最佳速率接近最佳算法。使用来自消费品零售商的合成数据和真实数据，我们表明我们的方法可提供超过现有检测方法的10倍成本降低。在此过程中，我们建立了最新的工作，该工作寻求矩阵完成的入门错误保证，并为次指定矩阵确定此类保证，这是独立利益的结果。

Testing the significance of a variable or group of variables $X$ for predicting a response $Y$, given additional covariates $Z$, is a ubiquitous task in statistics. A simple but common approach is to specify a linear model, and then test whether the regression coefficient for $X$ is non-zero. However, when the model is misspecified, the test may have poor power, for example when $X$ is involved in complex interactions, or lead to many false rejections. In this work we study the problem of testing the model-free null of conditional mean independence, i.e. that the conditional mean of $Y$ given $X$ and $Z$ does not depend on $X$. We propose a simple and general framework that can leverage flexible nonparametric or machine learning methods, such as additive models or random forests, to yield both robust error control and high power. The procedure involves using these methods to perform regressions, first to estimate a form of projection of $Y$ on $X$ and $Z$ using one half of the data, and then to estimate the expected conditional covariance between this projection and $Y$ on the remaining half of the data. While the approach is general, we show that a version of our procedure using spline regression achieves what we show is the minimax optimal rate in this nonparametric testing problem. Numerical experiments demonstrate the effectiveness of our approach both in terms of maintaining Type I error control, and power, compared to several existing approaches.

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。