我们研究了紧凑型歧管M上的回归问题。为了利用数据的基本几何形状和拓扑结构，回归任务是基于歧管的前几个特征函数执行的，该特征是歧管的laplace-beltrami操作员，通过拓扑处罚进行正规化。提出的惩罚基于本征函数或估计功能的子级集的拓扑。显示总体方法可在合成和真实数据集上对各种应用产生有希望的和竞争性能。我们还根据回归函数估计，其预测误差及其平滑度（从拓扑意义上）提供理论保证。综上所述，这些结果支持我们方法在目标函数“拓扑平滑”的情况下的相关性。

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。

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。

In this work we study statistical properties of graph-based algorithms for multi-manifold clustering (MMC). In MMC the goal is to retrieve the multi-manifold structure underlying a given Euclidean data set when this one is assumed to be obtained by sampling a distribution on a union of manifolds $\mathcal{M} = \mathcal{M}_1 \cup\dots \cup \mathcal{M}_N$ that may intersect with each other and that may have different dimensions. We investigate sufficient conditions that similarity graphs on data sets must satisfy in order for their corresponding graph Laplacians to capture the right geometric information to solve the MMC problem. Precisely, we provide high probability error bounds for the spectral approximation of a tensorized Laplacian on $\mathcal{M}$ with a suitable graph Laplacian built from the observations; the recovered tensorized Laplacian contains all geometric information of all the individual underlying manifolds. We provide an example of a family of similarity graphs, which we call annular proximity graphs with angle constraints, satisfying these sufficient conditions. We contrast our family of graphs with other constructions in the literature based on the alignment of tangent planes. Extensive numerical experiments expand the insights that our theory provides on the MMC problem.

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.

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）。

本文提出了一个无网格的计算框架和机器学习理论，用于在未知的歧管上求解椭圆形PDE，并根据扩散地图（DM）和深度学习确定点云。 PDE求解器是作为监督的学习任务制定的，以解决最小二乘回归问题，该问题施加了近似PDE的代数方程（如果适用）。该代数方程涉及通过DM渐近扩展获得的图形拉平型矩阵，该基质是二阶椭圆差差算子的一致估计器。最终的数值方法是解决受神经网络假设空间解决方案的高度非凸经验最小化问题。在体积良好的椭圆PDE设置中，当假设空间由具有无限宽度或深度的神经网络组成时，我们表明，经验损失函数的全球最小化器是大型训练数据极限的一致解决方案。当假设空间是一个两层神经网络时，我们表明，对于足够大的宽度，梯度下降可以识别经验损失函数的全局最小化器。支持数值示例证明了解决方案的收敛性，范围从具有低和高共限度的简单歧管到具有和没有边界的粗糙表面。我们还表明，所提出的NN求解器可以在具有概括性误差的新数据点上稳健地概括PDE解决方案，这些误差几乎与训练错误相同，从而取代了基于Nystrom的插值方法。

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。

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.

本文评价用机器学习问题的数值优化方法。由于机器学习模型是高度参数化的，我们专注于适合高维优化的方法。我们在二次模型上构建直觉，以确定哪种方法适用于非凸优化，并在凸函数上开发用于这种方法的凸起函数。随着随机梯度下降和动量方法的这种理论基础，我们试图解释为什么机器学习领域通常使用的方法非常成功。除了解释成功的启发式之外，最后一章还提供了对更多理论方法的广泛审查，这在实践中并不像惯例。所以在某些情况下，这项工作试图回答这个问题：为什么默认值中包含的默认TensorFlow优化器？

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。

Network data are ubiquitous in modern machine learning, with tasks of interest including node classification, node clustering and link prediction. A frequent approach begins by learning an Euclidean embedding of the network, to which algorithms developed for vector-valued data are applied. For large networks, embeddings are learned using stochastic gradient methods where the sub-sampling scheme can be freely chosen. Despite the strong empirical performance of such methods, they are not well understood theoretically. Our work encapsulates representation methods using a subsampling approach, such as node2vec, into a single unifying framework. We prove, under the assumption that the graph is exchangeable, that the distribution of the learned embedding vectors asymptotically decouples. Moreover, we characterize the asymptotic distribution and provided rates of convergence, in terms of the latent parameters, which includes the choice of loss function and the embedding dimension. This provides a theoretical foundation to understand what the embedding vectors represent and how well these methods perform on downstream tasks. Notably, we observe that typically used loss functions may lead to shortcomings, such as a lack of Fisher consistency.

我们基于拉普拉斯 - 贝特拉米操作员的图形laplacian估计值介绍了紧凑型riemannian歧管M中距离的估计量。我们在非歧管距离上的估计量比的比率上限，或者在非交通性几何形状中的歧管距离的近似值（参见[Connes and Suijelekom，2020]），就光谱误差而言））。图形拉普拉斯（Laplacian）的估计值和隐含的歧管几何特性。因此，我们为从M和图拉普拉奇人的严格正密度等分的样品获得估计器的一致性结果，这些样品从M和图形laplacians上的频谱从适当的意义上汇聚到Laplace-Beltrami操作员。估计器类似于其收敛性能，它源自kontorovic双重重新印度的特殊情况，称为Connes的距离公式。

本文通过引入几何深度学习（GDL）框架来构建通用馈电型型模型与可区分的流形几何形状兼容的通用馈电型模型，从而解决了对非欧国人数据进行处理的需求。我们表明，我们的GDL模型可以在受控最大直径的紧凑型组上均匀地近似任何连续目标函数。我们在近似GDL模型的深度上获得了最大直径和上限的曲率依赖性下限。相反，我们发现任何两个非分类紧凑型歧管之间始终都有连续的函数，任何“局部定义”的GDL模型都不能均匀地近似。我们的最后一个主要结果确定了数据依赖性条件，确保实施我们近似的GDL模型破坏了“维度的诅咒”。我们发现，任何“现实世界”（即有限）数据集始终满足我们的状况，相反，如果目标函数平滑，则任何数据集都满足我们的要求。作为应用，我们确认了以下GDL模型的通用近似功能：Ganea等。 （2018）的双波利馈电网络，实施Krishnan等人的体系结构。 （2015年）的深卡尔曼 - 滤波器和深度玛克斯分类器。我们构建了：Meyer等人的SPD-Matrix回归剂的通用扩展/变体。 （2011）和Fletcher（2003）的Procrustean回归剂。在欧几里得的环境中，我们的结果暗示了Kidger和Lyons（2020）的近似定理和Yarotsky和Zhevnerchuk（2019）无估计近似率的数据依赖性版本的定量版本。

内元化图亲和力矩阵的双性化归一化为基于图的数据分析中的图形laplacian方法提供了一种替代归一化方案，并且可以通过sinkhorn-knopp（SK）迭代在实践中有效地计算出来。本文证明了双性化标准化图拉普拉斯（Laplacian）与laplacian的融合，当$ n $数据点为i.i.d.从嵌入可能高维空间中的一般$ d $维歧管中取样。在$ n \ to \ infty $和内核带宽$ \ epsilon \ to 0 $的某些联合限制下，图Laplacian操作员的点融合率（2-Norm）被证明为$ O（N^{n^{ -1/（d/2+3）}）$在有限的大$ n $上，到log racture，在$ \ epsilon \ sim n^{ - 1/（d/2+3）} $时实现。当歧管数据被异常噪声损坏时，我们从理论上证明了图形laplacian点的一致性，该图与清洁歧管数据的速率匹配到与噪声矢量相互内部产物的界限成比例的附加错误项。我们的分析表明，在本文中考虑的设置下，不是精确的双性化归一化，而是大约将达到相同的一致性率。在分析的激励下，我们提出了一个近似且受约束的矩阵缩放问题，可以通过早期终止的SK迭代来解决，并适用于模拟的歧管数据既干净又具有离群的噪声。数值实验支持我们的理论结果，并显示了双形式归一化图拉普拉斯对异常噪声的鲁棒性。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

我们考虑了一个通用的非线性模型，其中信号是未知（可能增加的，可能增加的特征数量）的有限混合物，该特征是由由真实非线性参数参数化的连续字典发出的。在连续或离散设置中使用高斯（可能相关）噪声观察信号。我们提出了一种网格优化方法，即一种不使用参数空间上任何离散化方案的方法来估计特征的非线性参数和混合物的线性参数。我们使用有关离网方法的几何形状的最新结果，在真实的基础非线性参数上给出最小的分离，以便可以构建插值证书函数。还使用尾部界限，用于高斯过程的上流，我们将预测误差限制为高概率。假设可以构建证书函数，我们的预测误差绑定到日志 - 因线性回归模型中LASSO预测器所达到的速率类似。我们还建立了收敛速率，以高概率量化线性和非线性参数的估计质量。

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。

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.

在许多应用中，我们获得了流畅的函数的嘈杂模态样本的访问，其目标是鲁棒地解开样本，即估计该功能的原始样本。在最近的工作中，Cucuringu和Tyagi通过首先将它们代表在单元复杂圆上，然后解决平滑度规则化最小二乘问题 - Laplacian的平滑度适用的Proximity Graph的平滑度$ G $ - ON单位圆的产品歧管。这个问题是二次受约束的二次程序（QCQP），其是非凸显的，因此提出解决其球形放松导致信任区域子问题（TRS）。就理论担保而言，派生$ \ ell_2 $错误界限（trs）。然而，这些界限通常弱，并且没有真正证明由（TRS）进行的去噪。在这项工作中，我们分析（TRS）以及（QCQP）的不受约束的放松。对于这些估算器，我们在高斯噪声的设置中提供了一种精致的分析，并导出了噪音制度，其中他们可否证明模数观察W.R.T $ \ ell_2 $常规。分析在$ G $是任何连接的图形中的常规设置中进行。