监督主体组件分析（SPCA）的方法旨在将标签信息纳入主成分分析（PCA），以便提取的功能对于预测感兴趣的任务更有用。SPCA的先前工作主要集中在优化预测误差上，并忽略了提取功能解释的最大化方差的价值。我们为SPCA提出了一种新的方法，该方法共同解决了这两个目标，并从经验上证明我们的方法主导了现有方法，即在预测误差和变异方面都超越了它们的表现。我们的方法可容纳任意监督的学习损失，并通过统计重新制定提供了广义线性模型的新型低级扩展。

监督字典学习（SDL）是一种经典的机器学习方法，同时寻求特征提取和分类任务，不一定是先验的目标。 SDL的目的是学习类歧视性词典，这是一组潜在特征向量，可以很好地解释特征以及观察到的数据的标签。在本文中，我们提供了SDL的系统研究，包括SDL的理论，算法和应用。首先，我们提供了一个新颖的框架，该框架将“提升” SDL作为组合因子空间中的凸问题，并提出了一种低级别的投影梯度下降算法，该算法将指数成倍收敛于目标的全局最小化器。我们还制定了SDL的生成模型，并根据高参数制度提供真实参数的全局估计保证。其次，我们被视为一个非convex约束优化问题，我们为SDL提供了有效的块坐标下降算法，该算法可以保证在$ O（\ varepsilon^{ - 1}（\ log）中找到$ \ varepsilon $ - 定位点（\ varepsilon \ varepsilon^{ - 1}）^{2}）$ iterations。对于相应的生成模型，我们为受约束和正则化的最大似然估计问题建立了一种新型的非反应局部一致性结果，这可能是独立的。第三，我们将SDL应用于监督主题建模和胸部X射线图像中的肺炎检测中，以进行不平衡的文档分类。我们还提供了模拟研究，以证明当最佳的重建性和最佳判别词典之间存在差异时，SDL变得更加有效。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

The success of machine learning algorithms generally depends on data representation, and we hypothesize that this is because different representations can entangle and hide more or less the different explanatory factors of variation behind the data. Although specific domain knowledge can be used to help design representations, learning with generic priors can also be used, and the quest for AI is motivating the design of more powerful representation-learning algorithms implementing such priors. This paper reviews recent work in the area of unsupervised feature learning and deep learning, covering advances in probabilistic models, auto-encoders, manifold learning, and deep networks. This motivates longer-term unanswered questions about the appropriate objectives for learning good representations, for computing representations (i.e., inference), and the geometrical connections between representation learning, density estimation and manifold learning.

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。

NYSTR \“ OM方法是提高内核方法可伸缩性的最流行技术之一。但是，它尚未与经典PCA一致的核PCA得出。在本文中，我们使用NyStr \”来得出核PCA。OM方法，从而提供了使内核PCA可扩展的少数可用选项之一。我们通过与完整方法相比，通过有限样本的置信度结合了经验重建误差，进一步研究其统计精度。该方法和绑定的行为通过在多个现实世界数据集上的计算机实验进行说明。作为该方法的应用，我们使用NyStr \“ Om方法表示内核主成分回归，作为NyStr \“ Om内核脊回归的替代方案，可用于使用核有效正规化回归。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

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。

我们使用深层部分最小二乘（DPL）来估算单个股票收益的资产定价模型，该模型以灵活而动态的方式利用调理信息，同时将超额回报归因于一小部分统计风险因素。新颖的贡献是解决非线性因子结构，从而推进经验资产定价中深度学习的当前范式，该定价在假设高斯资产回报和因素的假设下使用线性随机折现因子。通过使用预测的最小二乘正方形来共同投影公司特征和资产回报到潜在因素的子空间，并使用深度学习从因子负载到资产回报中学习非线性图。捕获这种非线性风险因素结构的结果是通过线性风险因素暴露和相互作用效应来表征资产回报中的异常情况。因此，深度学习捕获异常值的众所周知的能力，在潜在因素结构中的角色和高阶项在因素风险溢价上的作用。从经验方面来说，我们实施了DPLS因子模型，并表现出比Lasso和Plain Vanilla深度学习模型表现出卓越的性能。此外，由于DPL的更简约的架构，我们的网络培训时间大大减少了。具体而言，在1989年12月至2018年1月的一段时间内使用Russell 1000指数中的3290资产，我们评估了我们的DPLS因子模型，并生成比深度学习大约1.2倍的信息比率。 DPLS解释了变化和定价错误，并确定了最突出的潜在因素和公司特征。

Statistical learning is the process of estimating an unknown probabilistic input-output relationship of a system using a limited number of observations. A statistical learning machine (SLM) is the algorithm, function, model, or rule, that learns such a process; and machine learning (ML) is the conventional name of this field. ML and its applications are ubiquitous in the modern world. Systems such as Automatic target recognition (ATR) in military applications, computer aided diagnosis (CAD) in medical imaging, DNA microarrays in genomics, optical character recognition (OCR), speech recognition (SR), spam email filtering, stock market prediction, etc., are few examples and applications for ML; diverse fields but one theory. In particular, ML has gained a lot of attention in the field of cyberphysical security, especially in the last decade. It is of great importance to this field to design detection algorithms that have the capability of learning from security data to be able to hunt threats, achieve better monitoring, master the complexity of the threat intelligence feeds, and achieve timely remediation of security incidents. The field of ML can be decomposed into two basic subfields: \textit{construction} and \textit{assessment}. We mean by \textit{construction} designing or inventing an appropriate algorithm that learns from the input data and achieves a good performance according to some optimality criterion. We mean by \textit{assessment} attributing some performance measures to the constructed ML algorithm, along with their estimators, to objectively assess this algorithm. \textit{Construction} and \textit{assessment} of a ML algorithm require familiarity with different other fields: probability, statistics, matrix theory, optimization, algorithms, and programming, among others.f

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。

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.

我们开发了一个计算程序，以估计具有附加噪声的半摩托车高斯过程回归模型的协方差超参数。也就是说，提出的方法可用于有效估计相关误差的方差，以及基于最大化边际似然函数的噪声方差。我们的方法涉及适当地降低超参数空间的维度，以简化单变量的根发现问题的估计过程。此外，我们得出了边际似然函数及其衍生物的边界和渐近线，这对于缩小高参数搜索的初始范围很有用。使用数值示例，我们证明了与传统参数优化相比，提出方法的计算优势和鲁棒性。

我们引入了一种新的经验贝叶斯方法，用于大规模多线性回归。我们的方法结合了两个关键思想：（i）使用灵活的“自适应收缩”先验，该先验近似于正常分布的有限混合物，近似于正常分布的非参数家族； （ii）使用变分近似来有效估计先前的超参数并计算近似后期。将这两个想法结合起来，将快速，灵活的方法与计算速度相当，可与快速惩罚的回归方法（例如Lasso）相当，并在各种场景中具有出色的预测准确性。此外，我们表明，我们方法中的后验平均值可以解释为解决惩罚性回归问题，并通过直接解决优化问题（而不是通过交叉验证来调整）从数据中学到的惩罚函数的精确形式。 。我们的方法是在r https://github.com/stephenslab/mr.ash.ash.alpha的r软件包中实现的

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。

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.

We propose a family of learning algorithms based on a new form of regularization that allows us to exploit the geometry of the marginal distribution. We focus on a semi-supervised framework that incorporates labeled and unlabeled data in a general-purpose learner. Some transductive graph learning algorithms and standard methods including support vector machines and regularized least squares can be obtained as special cases. We use properties of reproducing kernel Hilbert spaces to prove new Representer theorems that provide theoretical basis for the algorithms. As a result (in contrast to purely graph-based approaches) we obtain a natural out-of-sample extension to novel examples and so are able to handle both transductive and truly semi-supervised settings. We present experimental evidence suggesting that our semi-supervised algorithms are able to use unlabeled data effectively. Finally we have a brief discussion of unsupervised and fully supervised learning within our general framework.

我们介绍了数据科学预测生命周期中各个阶段开发和采用自动化的技术和文化挑战的说明概述，从而将重点限制为使用结构化数据集的监督学习。此外，我们回顾了流行的开源Python工具，这些工具实施了针对自动化挑战的通用解决方案模式，并突出了我们认为进步仍然需要的差距。

我们考虑在有限数据设置下一般损失函数下线性分类问题。过度装备是这里的常见问题。防止过度装备的标准方法是减少和正则化的维度。但是减少了维度的丢失信息，而正规化要求用户选择规范，或之前或距离度量。我们提出了一种称为Rolin的算法，不需要用户选择并适用于大类丢失功能。 Rolin将顶部主成分的可靠信息与强大的优化组合，以从不可靠的子空间中提取任何有用的信息。它还包括一种新的强大交叉验证，比有限数据设置中的现有交叉验证方法更好。在$ 25 $现实世界数据集和三个标准损失功能的实验表明，Rolin广泛优于维度，减少和正规。与Rolin相比，维数减少有14 \％ - 40 \％$较差的测试损失。防止$ L_1 $和$ L_2 $正则化，Rolin可以更好地为3倍，对于平方铰链损耗更好的逻辑损耗和12倍。对于小型样本尺寸，差异最大，其中Rolin实现了比任何竞争方法更多的数据集的2倍至3x的最佳损失。对于某些数据集，Rolin以$ 15 $培训样本比为1500美元的最佳规范正常化更好。