本报告探讨了机器学习技术在短时间内基因表达数据中的应用。虽然标准机器学习算法在更长的时间系列中工作良好，但它们通常无法从更少的时间点中找到有意义的见解。在本报告中，我们探索基于模型的群集技术。我们将流行无监督的学习技术相结合，如K-means，高斯混合模型，贝叶斯网络，隐藏的马尔可夫模型，具有众所周知的期望最大化算法。K-means和高斯混合模型是相当标准的，而隐藏的马尔可夫模型和贝叶斯网络聚类是更加新颖的想法，适合时间序列基因表达数据。

We review clustering as an analysis tool and the underlying concepts from an introductory perspective. What is clustering and how can clusterings be realised programmatically? How can data be represented and prepared for a clustering task? And how can clustering results be validated? Connectivity-based versus prototype-based approaches are reflected in the context of several popular methods: single-linkage, spectral embedding, k-means, and Gaussian mixtures are discussed as well as the density-based protocols (H)DBSCAN, Jarvis-Patrick, CommonNN, and density-peaks.

在过去二十年中，识别具有不同纵向数据趋势的群体的方法已经成为跨越许多研究领域的兴趣。为了支持研究人员，我们总结了文献关于纵向聚类的指导。此外，我们提供了一种纵向聚类方法，包括基于基团的轨迹建模（GBTM），生长混合模拟（GMM）和纵向K平均值（KML）。该方法在基本级别引入，并列出了强度，限制和模型扩展。在最近数据收集的发展之后，将注意这些方法的适用性赋予密集的纵向数据（ILD）。我们展示了使用R.中可用的包在合成数据集上的应用程序的应用。

高斯混合物模型（GMM）提供了一个简单而原则的框架，具有适用于统计推断的属性。在本文中，我们提出了一种新的基于模型的聚类算法，称为EGMM（证据GMM），在信念函数的理论框架中，以更好地表征集群成员的不确定性。通过代表每个对象的群集成员的质量函数，提出了由所需群集的功率组组成的组件组成的证据高斯混合物分布来对整个数据集进行建模。 EGMM中的参数通过特殊设计的预期最大化（EM）算法估算。还提供了允许自动确定正确数量簇的有效性指数。所提出的EGMM与经典GMM一样简单，但可以为所考虑的数据集生成更有信息的证据分区。合成和真实数据集实验表明，所提出的EGMM的性能比其他代表性聚类算法更好。此外，通过应用多模式脑图像分割的应用也证明了其优势。

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。

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。

与许多机器学习模型类似，群集加权模型（CWM）的准确性和速度都可以受到高维数据的阻碍，从而导致以前的作品对一种简约的技术，以减少“尺寸诅咒”对混合模型的影响。在这项工作中，我们回顾了集群加权模型（CWM）的背景研究。我们进一步表明，在庞大的高维数据的情况下，简约的技术不足以使混合模型蓬勃发展。我们通过使用“ FlexCWM” R软件包中的默认值选择位置参数的初始值来讨论一种用于检测隐藏组件的启发式。我们引入了一种称为T-分布的随机邻居嵌入（TSNE）的维度降低技术，以增强高维空间中的简约CWM。最初，CWM适用于回归，但出于分类目的，所有多级变量都会用一些噪声进行对数转换。模型的参数是通过预期最大化算法获得的。使用来自不同字段的实际数据集证明了讨论技术的有效性。

群集分析需要许多决定：聚类方法和隐含的参考模型，群集数，通常，几个超参数和算法调整。在实践中，一个分区产生多个分区，基于验证或选择标准选择最终的分区。存在丰富的验证方法，即隐式或明确地假设某个聚类概念。此外，它们通常仅限于从特定方法获得的分区上操作。在本文中，我们专注于可以通过二次或线性边界分开的群体。参考集群概念通过二次判别符号函数和描述集群大小，中心和分散的参数定义。我们开发了两个名为二次分数的群集质量标准。我们表明这些标准与从一般类椭圆对称分布产生的组一致。对这种类型的组追求在应用程序中是常见的。研究了与混合模型和模型的聚类的似然理论的连接。基于Bootstrap重新采样的二次分数，我们提出了一个选择规则，允许在许多聚类解决方案中选择。所提出的方法具有独特的优点，即它可以比较不能与其他最先进的方法进行比较的分区。广泛的数值实验和实际数据的分析表明，即使某些竞争方法在某些设置中出现优越，所提出的方法也实现了更好的整体性能。

发现新药是寻求并证明因果关系。作为一种新兴方法利用人类的知识和创造力，数据和机器智能，因果推论具有减少认知偏见并改善药物发现决策的希望。尽管它已经在整个价值链中应用了，但因子推理的概念和实践对许多从业者来说仍然晦涩难懂。本文提供了有关因果推理的非技术介绍，审查了其最新应用，并讨论了在药物发现和开发中采用因果语言的机会和挑战。

无监督的离散化是许多知识发现任务中的关键步骤。使用最小描述长度（MDL）原理局部自适应直方图的一维数据的最先进方法，但研究多维情况的研究要少得多：当前方法一次考虑一个尺寸（如果不是独立的），这导致基于自适应大小的矩形细胞的离散化。不幸的是，这种方法无法充分表征维度之间的依赖性和/或结果，包括由更多的单元（或垃圾箱）组成的离散化。为了解决这个问题，我们提出了一个表达模型类，该类别允许对二维数据进行更灵活的分区。我们扩展了一维情况的艺术状态，以基于归一化最大似然的形式获得模型选择问题。由于我们的模型类的灵活性是以巨大的搜索空间为代价的，因此我们引入了一种名为Palm的启发式算法，该算法将每个维度交替划分，然后使用MDL原理合并相邻区域。合成数据的实验表明，棕榈1）准确地揭示了模型类（即搜索空间）内的地面真相分区，给定的样本量足够大； 2）近似模型类外的各种分区； 3）收敛，与最先进的多元离散方法IPD相比。最后，我们将算法应用于三个空间数据集，我们证明，与内核密度估计（KDE）相比，我们的算法不仅揭示了更详细的密度变化，而且还可以更好地拟合看不见的数据，如日志流利性。

引入了涉及高斯流程（GPS）的模型，以同时处理多个功能数据的多任务学习，聚类和预测。该过程充当了功能数据的基于模型的聚类方法，也是对新任务进行后续预测的学习步骤。该模型是将多任务GPS与常见平均过程的混合物实例化。得出了一种用于处理超参数的优化以及超构件对潜在变量和过程的估计的优化。我们建立了明确的公式，用于将平均过程和潜在聚类变量整合到预测分布中，这是两个方面的不确定性。该分布定义为集群特异性GP预测的混合物，在处理组结构数据时，可以增强性能。该模型处理观察的不规则网格，并提供了关于协方差结构的不同假设，用于在任务之间共享其他信息。聚类和预测任务上的性能将通过各种模拟方案和真实数据集进行评估。总体算法称为magmaclust，可公开作为R包。

Mixtures of von Mises-Fisher distributions can be used to cluster data on the unit hypersphere. This is particularly adapted for high-dimensional directional data such as texts. We propose in this article to estimate a von Mises mixture using a l 1 penalized likelihood. This leads to sparse prototypes that improve clustering interpretability. We introduce an expectation-maximisation (EM) algorithm for this estimation and explore the trade-off between the sparsity term and the likelihood one with a path following algorithm. The model's behaviour is studied on simulated data and, we show the advantages of the approach on real data benchmark. We also introduce a new data set on financial reports and exhibit the benefits of our method for exploratory analysis.

One of the core problems of modern statistics is to approximate difficult-to-compute probability densities. This problem is especially important in Bayesian statistics, which frames all inference about unknown quantities as a calculation involving the posterior density. In this paper, we review variational inference (VI), a method from machine learning that approximates probability densities through optimization. VI has been used in many applications and tends to be faster than classical methods, such as Markov chain Monte Carlo sampling. The idea behind VI is to first posit a family of densities and then to find the member of that family which is close to the target. Closeness is measured by Kullback-Leibler divergence. We review the ideas behind mean-field variational inference, discuss the special case of VI applied to exponential family models, present a full example with a Bayesian mixture of Gaussians, and derive a variant that uses stochastic optimization to scale up to massive data. We discuss modern research in VI and highlight important open problems. VI is powerful, but it is not yet well understood. Our hope in writing this paper is to catalyze statistical research on this class of algorithms.

聚类是一种无监督的机器学习方法，其中未标记的元素/对象被分组在一起，旨在构建成熟的群集，以根据其相似性对其元素进行分类。该过程的目的是向研究人员提供有用的帮助，以帮助她/他确定数据中的模式。在处理大型数据库时，如果没有聚类算法的贡献，这种模式可能无法轻易检测到。本文对最广泛使用的聚类方法进行了深入的描述，并伴随着有关合适的参数选择和初始化的有用演示。同时，本文不仅代表了一篇评论，该评论突出了所检查的聚类技术的主要要素，而且强调了这些算法基于3个数据集的聚类效率的比较，从而在对抗性和复杂性中揭示了其现有的弱点和能力，在持续的离散和持续的离散和离散和持续的差异。观察。产生的结果有助于我们根据数据集的大小提取有关检查聚类技术的适当性的宝贵结论。

海洋充满了称为浮游植物的微型微藻，它们共同负责与陆地上所有植物的光合作用。我们预测他们对变暖海洋的反应的能力取决于了解浮游植物种群的动态如何受环境条件变化的影响。研究浮游植物动力学的一种强大技术是流式细胞仪，它测量每秒成千上万个单个细胞的光学特性。如今，海洋学家能够实时收集流动的细胞仪数据，从而为他们提供了精细的分辨率，可以分配数千公里的浮游植物分布。当前的挑战之一是了解这些大小规模的变化如何与环境条件（例如养分可用性，温度，光线和洋流）有关。在本文中，我们提出了多元回归模型的新型稀疏混合物，以估计随着时间的变化浮游植物的亚群，同时识别预测这些亚种群观察到的变化的特定环境协变量。我们使用合成数据和在2017年春季在东北太平洋进行的海洋学巡游中收集的合成数据和实际观察结果证明了该方法的有用性和解释性。

信息技术的进步导致了非常大的数据集，通常保存在不同的存储中心。必须适于现有的统计方法来克服所产生的计算障碍，同时保持统计有效性和效率。分裂和征服方法已应用于许多领域，包括分位式流程，回归分析，主偶数和指数家庭。我们研究了有限高斯混合的分布式学习的分裂和征服方法。我们建议减少策略并开发一种有效的MM算法。新估计器显示在某些一般条件下保持一致并保留根 - N一致性。基于模拟和现实世界数据的实验表明，如果后者是可行的，所提出的分离和征管方法具有基于完整数据集的全球估计的统计性能。如果模型假设与真实数据不匹配，甚至可以略高于全局估算器。它还具有比某些现有方法更好的统计和计算性能。

我们介绍了一个新型的多层加权网络模型，该模型除了本地信号外，还考虑了全局噪声。该模型类似于多层随机块模型（SBM），但关键区别在于，跨层之间的块之间的相互作用在整个系统中是常见的，我们称之为环境噪声。单个块还以这些固定的环境参数为特征，以表示不属于其他任何地方的成员。这种方法允许将块同时聚类和类型化到信号或噪声中，以便更好地理解其在整个系统中的作用，而现有块模型未考虑。我们采用了分层变异推断的新颖应用来共同检测和区分块类型。我们称此模型为多层加权网络称为随机块（具有）环境噪声模型（SBANM），并开发了相关的社区检测算法。我们将此方法应用于费城神经发育队列中的受试者，以发现与精神病有关的具有共同心理病理学的受试者社区。

对未标记的声发射（AE）数据的解释经典依赖于通用聚类方法。虽然过去已经使用了几种外部标准来选择这些算法的超参数，但很少有研究关注能够应对AE数据特异性的聚类方法中专用目标功能的发展。我们研究了如何在混合模型中，尤其是高斯混合模型（GMM）中明确表示簇的爆炸。通过修改此类模型的内部标准，我们提出了第一种聚类方法，能够通过预期最大化过程估算的参数提供有关何时发生簇的信息（ONESET），它们如何生长（动力学）及其通过它们的生长水平及其通过其激活水平时间。这种新的目标函数可容纳AE信号的连续时间戳，从而适应其发生的顺序。该方法称为GMMSEQ，经过实验验证，以表征振动下螺栓结构中的松动现象。与来自五个实验活动的原始流数据数据的三种标准聚类方法的比较表明，GMMSEQ不仅提供了有关簇时间线的有用定性信息，而且还显示出在群集表征方面更好的性能。鉴于制定开放的声学倡议并根据公平原则，数据集和代码可用于复制本文的研究。

生物医学网络是与疾病网络的蛋白质相互作用的普遍描述符，从蛋白质相互作用，一直到医疗保健系统和科学知识。随着代表学习提供强大的预测和洞察的显着成功，我们目睹了表现形式学习技术的快速扩展，进入了这些网络的建模，分析和学习。在这篇综述中，我们提出了一个观察到生物学和医学中的网络长期原则 - 而在机器学习研究中经常出口 - 可以为代表学习提供概念基础，解释其当前的成功和限制，并告知未来进步。我们综合了一系列算法方法，即在其核心利用图形拓扑到将网络嵌入到紧凑的向量空间中，并捕获表示陈述学习证明有用的方式的广度。深远的影响包括鉴定复杂性状的变异性，单细胞的异心行为及其对健康的影响，协助患者的诊断和治疗以及制定安全有效的药物。

在医疗保健系统中，需要患者使用可穿戴设备进行远程数据收集和对健康数据的实时监控以及健康状况的状态。可穿戴设备的这种采用导致收集和传输的数据量显着增加。由于设备由较小的电池电源运行，因此由于设备的高处理要求以进行数据收集和传输，因此可以快速减少它们。鉴于医疗数据的重要性，必须所有传输数据遵守严格的完整性和可用性要求。减少医疗保健数据的量和传输频率将通过使用推理算法改善设备电池寿命。有一个以准确性和效率改善传输指标的问题，彼此之间的权衡，例如提高准确性会降低效率。本文表明，机器学习可用于分析复杂的健康数据指标，例如数据传输的准确性和效率，以使用Levenberg-Marquardt算法来克服权衡问题，从而增强这两个指标，从而通过少较少的样本来传输，同时保持维护准确性。使用标准心率数据集测试该算法以比较指标。结果表明，LMA最好以3.33倍的效率进行样本数据尺寸和79.17％的精度，在7种不同的采样案例中具有相似的准确性，用于测试，但表明效率提高。与具有高效率的现有方法相比，这些提出的方法使用机器学习可以显着改善两个指标，而无需牺牲其他指标。