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.

Classical asymptotic theory for statistical inference usually involves calibrating a statistic by fixing the dimension $d$ while letting the sample size $n$ increase to infinity. Recently, much effort has been dedicated towards understanding how these methods behave in high-dimensional settings, where $d$ and $n$ both increase to infinity together. This often leads to different inference procedures, depending on the assumptions about the dimensionality, leaving the practitioner in a bind: given a dataset with 100 samples in 20 dimensions, should they calibrate by assuming $n \gg d$, or $d/n \approx 0.2$? This paper considers the goal of dimension-agnostic inference; developing methods whose validity does not depend on any assumption on $d$ versus $n$. We introduce an approach that uses variational representations of existing test statistics along with sample splitting and self-normalization to produce a new test statistic with a Gaussian limiting distribution, regardless of how $d$ scales with $n$. The resulting statistic can be viewed as a careful modification of degenerate U-statistics, dropping diagonal blocks and retaining off-diagonal blocks. We exemplify our technique for some classical problems including one-sample mean and covariance testing, and show that our tests have minimax rate-optimal power against appropriate local alternatives. In most settings, our cross U-statistic matches the high-dimensional power of the corresponding (degenerate) U-statistic up to a $\sqrt{2}$ factor.

In nonparametric independence testing, we observe i.i.d.\ data $\{(X_i,Y_i)\}_{i=1}^n$, where $X \in \mathcal{X}, Y \in \mathcal{Y}$ lie in any general spaces, and we wish to test the null that $X$ is independent of $Y$. Modern test statistics such as the kernel Hilbert-Schmidt Independence Criterion (HSIC) and Distance Covariance (dCov) have intractable null distributions due to the degeneracy of the underlying U-statistics. Thus, in practice, one often resorts to using permutation testing, which provides a nonasymptotic guarantee at the expense of recalculating the quadratic-time statistics (say) a few hundred times. This paper provides a simple but nontrivial modification of HSIC and dCov (called xHSIC and xdCov, pronounced ``cross'' HSIC/dCov) so that they have a limiting Gaussian distribution under the null, and thus do not require permutations. This requires building on the newly developed theory of cross U-statistics by Kim and Ramdas (2020), and in particular developing several nontrivial extensions of the theory in Shekhar et al. (2022), which developed an analogous permutation-free kernel two-sample test. We show that our new tests, like the originals, are consistent against fixed alternatives, and minimax rate optimal against smooth local alternatives. Numerical simulations demonstrate that compared to the full dCov or HSIC, our variants have the same power up to a $\sqrt 2$ factor, giving practitioners a new option for large problems or data-analysis pipelines where computation, not sample size, could be the bottleneck.

套索是一种高维回归的方法，当时，当协变量$ p $的订单数量或大于观测值$ n $时，通常使用它。由于两个基本原因，经典的渐近态性理论不适用于该模型：$（1）$正规风险是非平滑的； $（2）$估算器$ \ wideHat {\ boldsymbol {\ theta}} $与true参数vector $ \ boldsymbol {\ theta}^*$无法忽略。结果，标准的扰动论点是渐近正态性的传统基础。另一方面，套索估计器可以精确地以$ n $和$ p $大，$ n/p $的订单为一。这种表征首先是在使用I.I.D的高斯设计的情况下获得的。协变量：在这里，我们将其推广到具有非偏差协方差结构的高斯相关设计。这是根据更简单的``固定设计''模型表示的。我们在两个模型中各种数量的分布之间的距离上建立了非反应界限，它们在合适的稀疏类别中均匀地固定在信号上$ \ boldsymbol {\ theta}^*$。作为应用程序，我们研究了借助拉索的分布，并表明需要校正程度对于计算有效的置信区间是必要的。

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.

本文研究了基于Laplacian Eigenmaps（Le）的基于Laplacian EIGENMAPS（PCR-LE）的主要成分回归的统计性质，这是基于Laplacian Eigenmaps（Le）的非参数回归的方法。 PCR-LE通过投影观察到的响应的向量$ {\ bf y} =（y_1，\ ldots，y_n）$ to to changbood图表拉普拉斯的某些特征向量跨越的子空间。我们表明PCR-Le通过SoboLev空格实现了随机设计回归的最小收敛速率。在设计密度$ P $的足够平滑条件下，PCR-le达到估计的最佳速率（其中已知平方$ l ^ 2 $ norm的最佳速率为$ n ^ { - 2s /（2s + d） ）} $）和健美的测试（$ n ^ { - 4s /（4s + d）$）。我们还表明PCR-LE是\ EMPH {歧管Adaptive}：即，我们考虑在小型内在维度$ M $的歧管上支持设计的情况，并为PCR-LE提供更快的界限Minimax估计（$ n ^ { - 2s /（2s + m）$）和测试（$ n ^ { - 4s /（4s + m）$）收敛率。有趣的是，这些利率几乎总是比图形拉普拉斯特征向量的已知收敛率更快;换句话说，对于这个问题的回归估计的特征似乎更容易，统计上讲，而不是估计特征本身。我们通过经验证据支持这些理论结果。

由于其出色的经验表现，随机森林是过去十年中使用的机器学习方法之一。然而，由于其黑框的性质，在许多大数据应用中很难解释随机森林的结果。量化各个特征在随机森林中的实用性可以大大增强其解释性。现有的研究表明，一些普遍使用的特征对随机森林的重要性措施遭受了偏见问题。此外，对于大多数现有方法，缺乏全面的规模和功率分析。在本文中，我们通过假设检验解决了问题，并提出了一个自由化特征 - 弥散性相关测试（事实）的框架，以评估具有偏见性属性的随机森林模型中给定特征的重要性，我们零假设涉及该特征是否与所有其他特征有条件地独立于响应。关于高维随机森林一致性的一些最新发展，对随机森林推断的这种努力得到了赋予的能力。在存在功能依赖性的情况下，我们的事实测试的香草版可能会遇到偏见问题。我们利用偏置校正的不平衡和调节技术。我们通过增强功率的功能转换将合奏的想法进一步纳入事实统计范围。在相当普遍的具有依赖特征的高维非参数模型设置下，我们正式确定事实可以提供理论上合理的随机森林具有P值，并通过非催化分析享受吸引人的力量。新建议的方法的理论结果和有限样本优势通过几个模拟示例和与Covid-19的经济预测应用进行了说明。

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。

我们研究了随机近似程序，以便基于观察来自ergodic Markov链的长度$ n $的轨迹来求近求解$ d -dimension的线性固定点方程。我们首先表现出$ t _ {\ mathrm {mix}} \ tfrac {n}} \ tfrac {n}} \ tfrac {d}} \ tfrac {d} {n} $的非渐近性界限。$ t _ {\ mathrm {mix $是混合时间。然后，我们证明了一种在适当平均迭代序列上的非渐近实例依赖性，具有匹配局部渐近最小的限制的领先术语，包括对参数$的敏锐依赖（d，t _ {\ mathrm {mix}}） $以高阶术语。我们将这些上限与非渐近Minimax的下限补充，该下限是建立平均SA估计器的实例 - 最优性。我们通过Markov噪声的政策评估导出了这些结果的推导 - 覆盖了所有$ \ lambda \中的TD（$ \ lambda $）算法，以便[0,1）$ - 和线性自回归模型。我们的实例依赖性表征为HyperParameter调整的细粒度模型选择程序的设计开放了门（例如，在运行TD（$ \ Lambda $）算法时选择$ \ lambda $的值）。

对于高维和非参数统计模型，速率最优估计器平衡平方偏差和方差是一种常见的现象。虽然这种平衡被广泛观察到，但很少知道是否存在可以避免偏差和方差之间的权衡的方法。我们提出了一般的策略，以获得对任何估计方差的下限，偏差小于预先限定的界限。这表明偏差差异折衷的程度是不可避免的，并且允许量化不服从其的方法的性能损失。该方法基于许多抽象的下限，用于涉及关于不同概率措施的预期变化以及诸如Kullback-Leibler或Chi-Sque-diversence的信息措施的变化。其中一些不平等依赖于信息矩阵的新概念。在该物品的第二部分中，将抽象的下限应用于几种统计模型，包括高斯白噪声模型，边界估计问题，高斯序列模型和高维线性回归模型。对于这些特定的统计应用，发生不同类型的偏差差异发生，其实力变化很大。对于高斯白噪声模型中集成平方偏置和集成方差之间的权衡，我们将较低界限的一般策略与减少技术相结合。这允许我们将原始问题与估计的估计器中的偏差折衷联动，以更简单的统计模型中具有额外的对称性属性。在高斯序列模型中，发生偏差差异的不同相位转换。虽然偏差和方差之间存在非平凡的相互作用，但是平方偏差的速率和方差不必平衡以实现最小估计速率。

We provide results that exactly quantify how data augmentation affects the convergence rate and variance of estimates. They lead to some unexpected findings: Contrary to common intuition, data augmentation may increase rather than decrease the uncertainty of estimates, such as the empirical prediction risk. Our main theoretical tool is a limit theorem for functions of randomly transformed, high-dimensional random vectors. The proof draws on work in probability on noise stability of functions of many variables. The pathological behavior we identify is not a consequence of complex models, but can occur even in the simplest settings -- one of our examples is a ridge regressor with two parameters. On the other hand, our results also show that data augmentation can have real, quantifiable benefits.

The kernel Maximum Mean Discrepancy~(MMD) is a popular multivariate distance metric between distributions that has found utility in two-sample testing. The usual kernel-MMD test statistic is a degenerate U-statistic under the null, and thus it has an intractable limiting distribution. Hence, to design a level-$\alpha$ test, one usually selects the rejection threshold as the $(1-\alpha)$-quantile of the permutation distribution. The resulting nonparametric test has finite-sample validity but suffers from large computational cost, since every permutation takes quadratic time. We propose the cross-MMD, a new quadratic-time MMD test statistic based on sample-splitting and studentization. We prove that under mild assumptions, the cross-MMD has a limiting standard Gaussian distribution under the null. Importantly, we also show that the resulting test is consistent against any fixed alternative, and when using the Gaussian kernel, it has minimax rate-optimal power against local alternatives. For large sample sizes, our new cross-MMD provides a significant speedup over the MMD, for only a slight loss in power.

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。

近似消息传递（AMP）是解决高维统计问题的有效迭代范式。但是，当迭代次数超过$ o \ big（\ frac {\ log n} {\ log log \ log \ log n} \时big）$（带有$ n $问题维度）。为了解决这一不足，本文开发了一个非吸附框架，用于理解峰值矩阵估计中的AMP。基于AMP更新的新分解和可控的残差项，我们布置了一个分析配方，以表征在存在独立初始化的情况下AMP的有限样本行为，该过程被进一步概括以进行光谱初始化。作为提出的分析配方的两个具体后果：（i）求解$ \ mathbb {z} _2 $同步时，我们预测了频谱初始化AMP的行为，最高为$ o \ big（\ frac {n} {\ mathrm {\ mathrm { poly} \ log n} \ big）$迭代，表明该算法成功而无需随后的细化阶段（如最近由\ citet {celentano2021local}推测）; （ii）我们表征了稀疏PCA中AMP的非反应性行为（在尖刺的Wigner模型中），以广泛的信噪比。

统计推断中的主要范式取决于I.I.D.的结构。来自假设的无限人群的数据。尽管它取得了成功，但在复杂的数据结构下，即使在清楚无限人口所代表的内容的情况下，该框架在复杂的数据结构下仍然不灵活。在本文中，我们探讨了一个替代框架，在该框架中，推断只是对模型误差的不变性假设，例如交换性或符号对称性。作为解决这个不变推理问题的一般方法，我们提出了一个基于随机的过程。我们证明了该过程的渐近有效性的一般条件，并在许多数据结构中说明了，包括单向和双向布局中的群集误差。我们发现，通过残差随机化的不变推断具有三个吸引人的属性：（1）在弱且可解释的条件下是有效的，可以解决重型数据，有限聚类甚至一些高维设置的问题。 （2）它在有限样品中是可靠的，因为它不依赖经典渐近学所需的规律性条件。 （3）它以适应数据结构的统一方式解决了推断问题。另一方面，诸如OLS或Bootstrap之类的经典程序以I.I.D.为前提。结构，只要实际问题结构不同，就需要修改。经典框架中的这种不匹配导致了多种可靠的误差技术和自举变体，这些变体经常混淆应用研究。我们通过广泛的经验评估证实了这些发现。残留随机化对许多替代方案的表现有利，包括可靠的误差方法，自举变体和分层模型。

我们研究了非参数混合模型中的一致性以及回归的密切相关的混合物（也称为混合回归）模型，其中允许回归函数是非参数的，并且假定误差分布是高斯密度的卷积。我们在一般条件下构建统一的一致估计器，同时突出显示了将现有的点一致性结果扩展到均匀结果的几个疼痛点。最终的分析事实并非如此，并且在此过程中开发了几种新颖的技术工具。在混合回归的情况下，我们证明了回归函数的$ l^1 $收敛性，同时允许组件回归函数任意地相交，这带来了其他技术挑战。我们还考虑对一般（即非跨方向）非参数混合物的概括。

即使是最精确的经济数据集也具有嘈杂，丢失，离散化或私有化的变量。实证研究的标准工作流程涉及数据清理，然后是数据分析，通常忽略数据清洁的偏差和方差后果。我们制定了具有损坏数据的因果推理的半造型模型，以包括数据清洁和数据分析。我们提出了一种新的数据清洁，估计和推理的新的端到端程序，以及数据清洁调整的置信区间。通过有限的示例参数，我们证明了因果关系参数的估算器的一致性，高斯近似和半游戏效率。 Gaussian近似的速率为N ^ { - 1/2} $，如平均治疗效果，如平均治疗效果，并且优雅地为当地参数劣化，例如特定人口统计的异构治疗效果。我们的关键假设是真正的协变量是较低的等级。在我们的分析中，我们为矩阵完成，统计学习和半统计统计提供了非对症的理论贡献。我们验证了数据清洁调整的置信区间隔的覆盖范围校准，以类似于2020年美国人口普查中实施的差异隐私。

我们研究了对识别的非唯一麻烦的线性功能的通用推断，该功能定义为未识别条件矩限制的解决方案。这个问题出现在各种应用中，包括非参数仪器变量模型，未衡量的混杂性下的近端因果推断以及带有阴影变量的丢失 - 与随机数据。尽管感兴趣的线性功能（例如平均治疗效应）在适当的条件下是可以识别出的，但令人讨厌的非独家性对统计推断构成了严重的挑战，因为在这种情况下，常见的滋扰估计器可能是不稳定的，并且缺乏固定限制。在本文中，我们提出了对滋扰功能的受惩罚的最小估计器，并表明它们在这种挑战性的环境中有效推断。提出的滋扰估计器可以适应灵活的功能类别，重要的是，无论滋扰是否是唯一的，它们都可以融合到由惩罚确定的固定限制。我们使用受惩罚的滋扰估计器来形成有关感兴趣的线性功能的依据估计量，并在通用高级条件下证明其渐近正态性，这提供了渐近有效的置信区间。

基于内核的测试提供了一个简单而有效的框架，该框架使用繁殖内核希尔伯特空间的理论设计非参数测试程序。在本文中，我们提出了新的理论工具，可用于在几种数据方案以及许多不同的测试问题中研究基于内核测试的渐近行为。与当前的方法不同，我们的方法避免使用冗长的$ u $和$ v $统计信息扩展并限制定理，该定理通常出现在文献中，并直接与希尔伯特空格上的随机功能合作。因此，我们的框架会导致对内核测试的简单明了的分析，只需要轻度的规律条件。此外，我们表明，通常可以通过证明我们方法所需的规律条件既足够又需要进行必要的规律条件来改进我们的分析。为了说明我们的方法的有效性，我们为有条件的独立性测试问题提供了一项新的内核测试，以及针对已知的基于内核测试的新分析。

在TAN（2006）边缘敏感模型下，在不观察到的混淆存在下构建平均处理效应的界限问题。结合涉及对冲倾向分数的现有表征具有对问题的新的分布稳健特征，我们提出了我们称之为“双重有效/双重尖锐”（DVD）估计的这些界限的新颖估算器。双重清晰度对应于DVD估计始终估计灵敏度模型所暗示的最有可能（即，夏普）的界限，即使当所有滋扰参数都适当一致时，即使在两个滋扰参数中的一个被击败并实现半污染参数之一。双倍有效性是部分识别的全新财产：DVD估计仍然提供有效，但即使在大多数滋扰参数都被遗漏时，仍然没有锐利。实际上，即使在DVDS点估计无法渐近正常的情况下，标准沃尔德置信区间也可能保持有效。在二进制结果的情况下，DVD估计是特别方便的并且在结果回归和倾向评分方面具有闭合形式的表达。我们展示了模拟研究中的DVD估计，以及对右心导管插入的案例研究。