This paper revisits building machine learning algorithms that involve interactions between entities, such as those between financial assets in an actively managed portfolio, or interactions between users in a social network. Our goal is to forecast the future evolution of ensembles of multivariate time series in such applications (e.g., the future return of a financial asset or the future popularity of a Twitter account). Designing ML algorithms for such systems requires addressing the challenges of high-dimensional interactions and non-linearity. Existing approaches usually adopt an ad-hoc approach to integrating high-dimensional techniques into non-linear models and recent studies have shown these approaches have questionable efficacy in time-evolving interacting systems. To this end, we propose a novel framework, which we dub as the additive influence model. Under our modeling assumption, we show that it is possible to decouple the learning of high-dimensional interactions from the learning of non-linear feature interactions. To learn the high-dimensional interactions, we leverage kernel-based techniques, with provable guarantees, to embed the entities in a low-dimensional latent space. To learn the non-linear feature-response interactions, we generalize prominent machine learning techniques, including designing a new statistically sound non-parametric method and an ensemble learning algorithm optimized for vector regressions. Extensive experiments on two common applications demonstrate that our new algorithms deliver significantly stronger forecasting power compared to standard and recently proposed methods.

In a high dimensional linear predictive regression where the number of potential predictors can be larger than the sample size, we consider using LASSO, a popular L1-penalized regression method, to estimate the sparse coefficients when many unit root regressors are present. Consistency of LASSO relies on two building blocks: the deviation bound of the cross product of the regressors and the error term, and the restricted eigenvalue of the Gram matrix of the regressors. In our setting where unit root regressors are driven by temporal dependent non-Gaussian innovations, we establish original probabilistic bounds for these two building blocks. The bounds imply that the rates of convergence of LASSO are different from those in the familiar cross sectional case. In practical applications given a mixture of stationary and nonstationary predictors, asymptotic guarantee of LASSO is preserved if all predictors are scale-standardized. In an empirical example of forecasting the unemployment rate with many macroeconomic time series, strong performance is delivered by LASSO when the initial specification is guided by macroeconomic domain expertise.

Markowitz mean-variance portfolios with sample mean and covariance as input parameters feature numerous issues in practice. They perform poorly out of sample due to estimation error, they experience extreme weights together with high sensitivity to change in input parameters. The heavy-tail characteristics of financial time series are in fact the cause for these erratic fluctuations of weights that consequently create substantial transaction costs. In robustifying the weights we present a toolbox for stabilizing costs and weights for global minimum Markowitz portfolios. Utilizing a projected gradient descent (PGD) technique, we avoid the estimation and inversion of the covariance operator as a whole and concentrate on robust estimation of the gradient descent increment. Using modern tools of robust statistics we construct a computationally efficient estimator with almost Gaussian properties based on median-of-means uniformly over weights. This robustified Markowitz approach is confirmed by empirical studies on equity markets. We demonstrate that robustified portfolios reach the lowest turnover compared to shrinkage-based and constrained portfolios while preserving or slightly improving out-of-sample performance.

Many problems in causal inference and economics can be formulated in the framework of conditional moment models, which characterize the target function through a collection of conditional moment restrictions. For nonparametric conditional moment models, efficient estimation often relies on preimposed conditions on various measures of ill-posedness of the hypothesis space, which are hard to validate when flexible models are used. In this work, we address this issue by proposing a procedure that automatically learns representations with controlled measures of ill-posedness. Our method approximates a linear representation defined by the spectral decomposition of a conditional expectation operator, which can be used for kernelized estimators and is known to facilitate minimax optimal estimation in certain settings. We show this representation can be efficiently estimated from data, and establish L2 consistency for the resulting estimator. We evaluate the proposed method on proximal causal inference tasks, exhibiting promising performance on high-dimensional, semi-synthetic data.

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。

在线性回归中，我们希望根据少量样本估算超过$ d $维的输入点和实价响应的最佳最小二乘预测。根据标准随机设计分析，其中绘制样品i.i.d。从输入分布中，该样品的最小二乘解决方案可以看作是最佳的自然估计器。不幸的是，该估计器几乎总是产生来自输入点的随机性的不良偏置，这在模型平均中是一个重要的瓶颈。在本文中，我们表明可以绘制非i.i.d。输入点的样本，无论响应模型如何，最小二乘解决方案都是最佳的无偏估计器。此外，可以通过增强先前绘制的I.I.D。可以有效地生产该样本。带有额外的$ d $点的样品，根据点由点跨越的平方量重新缩放的输入分布构建的一定确定点过程，共同绘制。在此激励的基础上，我们开发了一个理论框架来研究体积响应的采样，并在此过程中证明了许多新的矩阵期望身份。我们使用它们来表明，对于任何输入分布和$ \ epsilon> 0 $，有一个随机设计由$ o（d \ log d+ d+ d+ d/\ epsilon）$点，从中可以从中构造出无偏见的估计器，其预期的是正方形损耗在整个发行版中，$ 1+\ epsilon $ times最佳损失。我们提供有效的算法来在许多实际设置中生成这种无偏估计量，并在实验中支持我们的主张。

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。

在本文中，我们利用过度参数化来设计高维单索索引模型的无规矩算法，并为诱导的隐式正则化现象提供理论保证。具体而言，我们研究了链路功能是非线性且未知的矢量和矩阵单索引模型，信号参数是稀疏向量或低秩对称矩阵，并且响应变量可以是重尾的。为了更好地理解隐含正规化的角色而没有过度的技术性，我们假设协变量的分布是先验的。对于载体和矩阵设置，我们通过采用分数函数变换和专为重尾数据的强大截断步骤来构造过度参数化最小二乘损耗功能。我们建议通过将无规则化的梯度下降应用于损耗函数来估计真实参数。当初始化接近原点并且步骤中足够小时，我们证明了所获得的解决方案在载体和矩阵案件中实现了最小的收敛统计速率。此外，我们的实验结果支持我们的理论调查结果，并表明我们的方法在$ \ ell_2 $ -staticatisticated率和变量选择一致性方面具有明确的正则化的经验卓越。

本文为信号去噪提供了一般交叉验证框架。然后将一般框架应用于非参数回归方法，例如趋势过滤和二元推车。然后显示所得到的交叉验证版本以获得最佳调谐的类似物所熟知的几乎相同的收敛速度。没有任何先前的趋势过滤或二元推车的理论分析。为了说明框架的一般性，我们还提出并研究了两个基本估算器的交叉验证版本;套索用于高维线性回归和矩阵估计的奇异值阈值阈值。我们的一般框架是由Chatterjee和Jafarov（2015）的想法的启发，并且可能适用于使用调整参数的广泛估算方法。

基于多维时间序列预测的歧管学习，我们解决了三层数值框架。在第一步，我们使用诸如局部线性嵌入和扩散图的非线性歧管学习算法将时间序列嵌入到降低的低维空间中。在第二步，我们在歧管中构建倒计阶回归模型，特别是多变量自回归（MVAR）和高斯过程回归（GPR）模型，以预测嵌入式动态。在最后一步，我们使用径向基函数插值和几何谐波将嵌入的时间序列抬回原始的高维空间。对于我们的插图，我们使用四组时间序列测试所提出的数值方案的预测性能：三种合成随机等于具有不同模型订单的线性和非线性随机模型的EEG信号，以及包含每日时间的一个真实数据集跨越时间段03 / 09/2001-29 / 10/2020的10个关键外汇汇率（外汇）系列。使用歧管学习，建模和提升方法的组合评估所提出的数值方案的预测性能。我们还提供与主成分分析算法以及天真随机步道模型的比较，以及培训的MVAR和GPR模型直接在高维空间中实现。

我们介绍和分析了多元奇异频谱分析（MSSA）的变体，这是一种流行的时间序列方法，用于启用和预测多元时间序列。在我们介绍的时空因素模型下，给定$ n $时间序列和$ t $观测时间序列，我们为插补和样本外预测均有效地扩展为$ 1 / \ sqrt，为预测和样本预测有效地缩放均值{\ min（n，t）t} $。这是一个改进：（i）$ 1 /\ sqrt {t} $ SSA的错误缩放，MSSA限制对单变量时间序列； （ii）$ 1/\ min（n，t）$对于不利用数据中时间结构的矩阵估计方法的错误缩放。我们引入的时空模型包括：谐波，多项式，可区分的周期函数和持有人连续函数的任何有限总和和产物。在时空因素模型下，我们的样本外预测结果可能对在线学习具有独立的兴趣。从经验上讲，在基准数据集上，我们的MSSA变体通过最先进的神经网络时间序列方法（例如，DEEPAR，LSTM）竞争性能，并且明显优于诸如矢量自动化（VAR）之类的经典方法。最后，我们提出了MSSA的扩展：（i）估计时间序列的时变差异的变体； （ii）一种张量变体，对于$ n $和$ t $的某些制度具有更好的样本复杂性。

近年来目睹了采用灵活的机械学习模型进行乐器变量（IV）回归的兴趣，但仍然缺乏不确定性量化方法的发展。在这项工作中，我们为IV次数回归提出了一种新的Quasi-Bayesian程序，建立了最近开发的核化IV模型和IV回归的双/极小配方。我们通过在$ l_2 $和sobolev规范中建立最低限度的最佳收缩率，并讨论可信球的常见有效性来分析所提出的方法的频繁行为。我们进一步推出了一种可扩展的推理算法，可以扩展到与宽神经网络模型一起工作。实证评价表明，我们的方法对复杂的高维问题产生了丰富的不确定性估计。

随机森林仍然是最受欢迎的现成监督学习算法之一。尽管他们记录了良好的经验成功，但直到最近，很少有很少的理论结果来描述他们的表现和行为。在这项工作中，我们通过建立随机森林和其他受监督学习集合的融合率来推动最近的一致性和渐近正常的工作。我们培养了广义U形统计的概念，并显示在此框架内，随机森林预测可能对比以前建立的较大的子样本尺寸可能保持渐近正常。我们还提供Berry-esseen的界限，以量化这种收敛的速度，使得分列大小的角色和确定随机森林预测分布的树木的角色。

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。

现代神经网络通常以强烈的过度构造状态运行：它们包含许多参数，即使实际标签被纯粹随机的标签代替，它们也可以插入训练集。尽管如此，他们在看不见的数据上达到了良好的预测错误：插值训练集并不会导致巨大的概括错误。此外，过度散色化似乎是有益的，因为它简化了优化景观。在这里，我们在神经切线（NT）制度中的两层神经网络的背景下研究这些现象。我们考虑了一个简单的数据模型，以及各向同性协变量的矢量，$ d $尺寸和$ n $隐藏的神经元。我们假设样本量$ n $和尺寸$ d $都很大，并且它们在多项式上相关。我们的第一个主要结果是对过份术的经验NT内核的特征结构的特征。这种表征意味着必然的表明，经验NT内核的最低特征值在$ ND \ gg n $后立即从零界限，因此网络可以在同一制度中精确插值任意标签。我们的第二个主要结果是对NT Ridge回归的概括误差的表征，包括特殊情况，最小值-ULL_2 $ NORD插值。我们证明，一旦$ nd \ gg n $，测试误差就会被内核岭回归之一相对于无限宽度内核而近似。多项式脊回归的误差依次近似后者，从而通过与激活函数的高度组件相关的“自我诱导的”项增加了正则化参数。多项式程度取决于样本量和尺寸（尤其是$ \ log n/\ log d $）。

This paper provides estimation and inference methods for a conditional average treatment effects (CATE) characterized by a high-dimensional parameter in both homogeneous cross-sectional and unit-heterogeneous dynamic panel data settings. In our leading example, we model CATE by interacting the base treatment variable with explanatory variables. The first step of our procedure is orthogonalization, where we partial out the controls and unit effects from the outcome and the base treatment and take the cross-fitted residuals. This step uses a novel generic cross-fitting method we design for weakly dependent time series and panel data. This method "leaves out the neighbors" when fitting nuisance components, and we theoretically power it by using Strassen's coupling. As a result, we can rely on any modern machine learning method in the first step, provided it learns the residuals well enough. Second, we construct an orthogonal (or residual) learner of CATE -- the Lasso CATE -- that regresses the outcome residual on the vector of interactions of the residualized treatment with explanatory variables. If the complexity of CATE function is simpler than that of the first-stage regression, the orthogonal learner converges faster than the single-stage regression-based learner. Third, we perform simultaneous inference on parameters of the CATE function using debiasing. We also can use ordinary least squares in the last two steps when CATE is low-dimensional. In heterogeneous panel data settings, we model the unobserved unit heterogeneity as a weakly sparse deviation from Mundlak (1978)'s model of correlated unit effects as a linear function of time-invariant covariates and make use of L1-penalization to estimate these models. We demonstrate our methods by estimating price elasticities of groceries based on scanner data. We note that our results are new even for the cross-sectional (i.i.d) case.

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.

强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变，当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在，但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中，我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性，并在该设置中提出了限制测试误差，偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序，通过协变速转移，提供足够的条件来确定何时何时损害（甚至有助于）测试性能。我们发现，过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性，为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外，我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系，为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。

A common approach to modeling networks assigns each node to a position on a low-dimensional manifold where distance is inversely proportional to connection likelihood. More positive manifold curvature encourages more and tighter communities; negative curvature induces repulsion. We consistently estimate manifold type, dimension, and curvature from simply connected, complete Riemannian manifolds of constant curvature. We represent the graph as a noisy distance matrix based on the ties between cliques, then develop hypothesis tests to determine whether the observed distances could plausibly be embedded isometrically in each of the candidate geometries. We apply our approach to data-sets from economics and neuroscience.

A / B测试或在线实验是一种标准的业务策略，可以在制药，技术和传统行业中与旧产品进行比较。在双面市场平台（例如优步）的在线实验中出现了主要挑战，其中只有一个单位接受一系列处理随着时间的推移。在这些实验中，给定时间的治疗会影响当前结果以及未来的结果。本文的目的是引入用于在这些实验中携带A / B测试的加强学习框架，同时表征长期治疗效果。我们所提出的测试程序允许顺序监控和在线更新。它通常适用于不同行业的各种治疗设计。此外，我们系统地研究了我们测试程序的理论特性（例如，尺寸和功率）。最后，我们将框架应用于模拟数据和从技术公司获得的真实数据示例，以说明其在目前的实践中的优势。我们的测试的Python实现是在https://github.com/callmespring/causalrl上找到的。