Non-linear state-space models, also known as general hidden Markov models, are ubiquitous in statistical machine learning, being the most classical generative models for serial data and sequences in general. The particle-based, rapid incremental smoother PaRIS is a sequential Monte Carlo (SMC) technique allowing for efficient online approximation of expectations of additive functionals under the smoothing distribution in these models. Such expectations appear naturally in several learning contexts, such as likelihood estimation (MLE) and Markov score climbing (MSC). PARIS has linear computational complexity, limited memory requirements and comes with non-asymptotic bounds, convergence results and stability guarantees. Still, being based on self-normalised importance sampling, the PaRIS estimator is biased. Our first contribution is to design a novel additive smoothing algorithm, the Parisian particle Gibbs PPG sampler, which can be viewed as a PaRIS algorithm driven by conditional SMC moves, resulting in bias-reduced estimates of the targeted quantities. We substantiate the PPG algorithm with theoretical results, including new bounds on bias and variance as well as deviation inequalities. Our second contribution is to apply PPG in a learning framework, covering MLE and MSC as special examples. In this context, we establish, under standard assumptions, non-asymptotic bounds highlighting the value of bias reduction and the implicit Rao--Blackwellization of PPG. These are the first non-asymptotic results of this kind in this setting. We illustrate our theoretical results with numerical experiments supporting our claims.

重要性采样（IS）是一种使用来自建议分布和相关重要性权重的独立样本在目标分布下近似期望的方法。在许多应用中，只有直到归一化常数才知道目标分布，在这种情况下，可以使用自称为（SNIS）。虽然自我正态化的使用可能会对估计量的分散产生积极影响，但它引入了偏见。在这项工作中，我们提出了一种新方法BR-SNIS，其复杂性与SNI的复杂性基本相同，并且显着降低了偏见而不增加差异。这种方法是一种包装器，从某种意义上说，它使用了与SNIS相同的建议样本和重要性权重，但巧妙地使用了迭代采样（ISIR）重新采样（ISIR）来形成估算器的偏置版本。我们为提出的算法提供了严格的理论结果，包括新的偏见，方差和高概率界限，这些算法由数值示例进行了说明。

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）。

我们开发了一个探索漏洞利用马尔可夫链Monte Carlo算法（$ \ OperatorName {ex ^ 2mcmc} $），它结合了多个全局提议和本地移动。所提出的方法是巨大的平行化和极其计算的高效。我们证明$ \ operatorname {ex ^ 2mcmc} $下的$ v $ v $ -unique几何ergodicity在现实条件下，并计算混合速率的显式界限，显示多个全局移动带来的改进。我们展示$ \ operatorname {ex ^ 2mcmc} $允许通过提出依赖全局移动的新方法进行微调剥削（本地移动）和探索（全球移动）。最后，我们开发了一个自适应方案，$ \ OperatorName {Flex ^ 2mcmc} $，它学习使用归一化流的全局动作的分布。我们说明了许多经典采样基准测试的$ \ OperatorName {ex ^ 2mccmc} $及其自适应版本的效率。我们还表明，这些算法提高了对基于能量的模型的抽样GAN的质量。

逐步应用高斯噪声将复杂的数据分布转换为大约高斯。逆转此动态定义了一种生成模型。当前进通知过程由随机微分方程（SDE），Song等人提供。 （2021）证明可以使用分数匹配估计相关反向时间SDE的时间不均匀漂移。这种方法的限制是必须在最终分布到高斯的最终分布必须运行前进时间SDE。相反，解决Schr \“odinger桥问题（SB），即路径空间上的熵正常化的最佳运输问题，产生从有限时间内从数据分布产生样本的扩散。我们存在扩散SB（DSB），原始近似迭代比例拟合（IPF）程序来解决SB问题，并提供理论分析以及生成建模实验。第一个DSB迭代恢复Song等人提出的方法。（2021），使用较短时间的灵活性间隔，随后的DSB迭代减少了前进（RESP。后向）SDE的最终时间边际之间的差异，相对于先前（RESP。数据）分布。除了生成的建模之外，DSB提供了广泛适用的计算最优运输工具流行池算法的连续状态空间模拟（Cuturi，2013）。

我们调查了一定类别的功能不等式，称为弱Poincar的不等式，以使Markov链的收敛性与均衡相结合。我们表明，这使得SubGoom测量收敛界的直接和透明的推导出用于独立的Metropolis - Hastings采样器和用于棘手似然性的伪边缘方法，后者在许多实际设置中是子表芯。这些结果依赖于马尔可夫链之间的新量化比较定理。相关证据比依赖于漂移/较小化条件的证据更简单，并且所开发的工具允许我们恢复并进一步延长特定情况的已知结果。我们能够为伪边缘算法的实际使用提供新的见解，分析平均近似贝叶斯计算（ABC）的效果以及独立平均值的产品，以及研究与之相关的逻辑重量的情况粒子边缘大都市 - 黑斯廷斯（PMMH）。

我们证明了顺序蒙特卡洛（SMC）算法的有限样品复杂性，该算法仅需要相关的马尔可夫核的局部混合时间。当目标分布是多模式的，而马尔可夫内核的全局混合速度很慢时，我们的边界特别有用。在这种情况下，我们的方法确定了SMC比相应的Markov链蒙特卡洛（MCMC）估计量的好处。通过依次控制SMC重采样程序引入的偏差来解决全局混合。我们将这些结果应用于对数凸出分布的混合物下的近似期望获得复杂性界限，并表明SMC为某些困难的多模式问题提供了完全多项式时间随机近似方案，而相应的Markov链采样器的指数呈呈呈速度速度。最后，我们比较了通过我们在相同问题上使用钢结战的马尔可夫链的现有界限获得的界限。

自Venkatakrishnan等人的开创性工作以来。 2013年，即插即用（PNP）方法在贝叶斯成像中变得普遍存在。这些方法通过将显式似然函数与预定由图像去噪算法隐式定义的明确定义，导出用于成像中的逆问题的最小均方误差（MMSE）或最大后验误差（MAP）估计器。文献中提出的PNP算法主要不同于他们用于优化或采样的迭代方案。在优化方案的情况下，一些最近的作品能够保证收敛到一个定点，尽管不一定是地图估计。在采样方案的情况下，据我们所知，没有已知的收敛证明。关于潜在的贝叶斯模型和估算器是否具有明确定义，良好的良好，并且具有支持这些数值方案所需的基本规律性属性，还存在重要的开放性问题。为了解决这些限制，本文开发了用于对PNP前锋进行贝叶斯推断的理论，方法和可忽略的会聚算法。我们介绍了两个算法：1）PNP-ULA（未调整的Langevin算法），用于蒙特卡罗采样和MMSE推断; 2）PNP-SGD（随机梯度下降）用于MAP推理。利用Markov链的定量融合的最新结果，我们为这两种算法建立了详细的收敛保证，在现实假设下，在去噪运营商使用的现实假设下，特别注意基于深神经网络的遣散者。我们还表明这些算法大致瞄准了良好的决策理论上最佳的贝叶斯模型。所提出的算法在几种规范问题上证明了诸如图像去纹，染色和去噪，其中它们用于点估计以及不确定的可视化和量化。

对复杂模型执行精确的贝叶斯推理是计算的难治性的。马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法可以提供后部分布的可靠近似，但对于大型数据集和高维模型昂贵。减轻这种复杂性的标准方法包括使用子采样技术或在群集中分发数据。然而，这些方法通常在高维方案中不可靠。我们在此处专注于最近的替代类别的MCMC方案，利用类似于乘客（ADMM）优化算法的庆祝交替方向使用的分裂策略。这些方法似乎提供了凭经验最先进的性能，但其高维层的理论行为目前未知。在本文中，我们提出了一个详细的理论研究，该算法之一称为分裂Gibbs采样器。在规律条件下，我们使用RICCI曲率和耦合思路为此方案建立了明确的收敛速率。我们以数字插图支持我们的理论。

This paper introduces a novel algorithm, the Perturbed Proximal Preconditioned SPIDER algorithm (3P-SPIDER), designed to solve finite sum non-convex composite optimization. It is a stochastic Variable Metric Forward-Backward algorithm, which allows approximate preconditioned forward operator and uses a variable metric proximity operator as the backward operator; it also proposes a mini-batch strategy with variance reduction to address the finite sum setting. We show that 3P-SPIDER extends some Stochastic preconditioned Gradient Descent-based algorithms and some Incremental Expectation Maximization algorithms to composite optimization and to the case the forward operator can not be computed in closed form. We also provide an explicit control of convergence in expectation of 3P-SPIDER, and study its complexity in order to satisfy the epsilon-approximate stationary condition. Our results are the first to combine the composite non-convex optimization setting, a variance reduction technique to tackle the finite sum setting by using a minibatch strategy and, to allow deterministic or random approximations of the preconditioned forward operator. Finally, through an application to inference in a logistic regression model with random effects, we numerically compare 3P-SPIDER to other stochastic forward-backward algorithms and discuss the role of some design parameters of 3P-SPIDER.

解决扩大流行病学推断对复杂和异质模型的挑战，我们引入了泊松近似可能性（PAL）方法。 PAL是从有限人口，随机隔室模型的近似滤波方程中得出的，并且较大的人口限制驱动了最大PAL估计器的一致性。我们的理论结果似乎是基于大量的部分观察到的关于大量人群限制的部分随机隔室模型的第一个基于可能性的参数估计一致性结果。与基于仿真的方法（例如近似贝叶斯计算和顺序蒙特卡洛）相比，PALS易于实现，仅涉及基本算术操作，而无需调整参数。并快速评估，不需要模型的模拟，并且具有与人口规模无关的计算成本。通过示例，我们演示了PAL的如何：嵌入延迟的接受粒子马尔可夫链蒙特卡洛中以促进贝叶斯的推断；用于拟合流感的年龄结构化模型，利用Stan的自动分化；并应用于校准麻疹的空间元群模型。

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.

高维，部分观察和非线性随机过程的参数学习是方法论挑战。时空疾病传播系统提供了此类过程的示例，导致开放推理问题。我们提出了迭代的块粒子滤波器（IBPF）算法，用于学习具有一般状态空间，测量，过渡密度和图形结构的图形状态空间模型上的高维参数。在击败维度（COD），算法收敛和可能性最大化的诅咒时，获得了理论性能保证。在高度非线性和非高斯时空模型上进行麻疹传播的实验表明，迭代的集合卡尔曼滤波器算法（Li等人（2020））无效，迭代过滤算法（Ionides et al。（2015））受到损害。COD，而我们的IBPF算法在不同指标的各种实验中始终如一地击败COD。

变性推理（VI）为基于传统的采样方法提供了一种吸引人的替代方法，用于实施贝叶斯推断，因为其概念性的简单性，统计准确性和计算可扩展性。然而，常见的变分近似方案（例如平均场（MF）近似）需要某些共轭结构以促进有效的计算，这可能会增加不必要的限制对可行的先验分布家族，并对变异近似族对差异进行进一步的限制。在这项工作中，我们开发了一个通用计算框架，用于实施MF-VI VIA WASSERSTEIN梯度流（WGF），这是概率度量空间上的梯度流。当专门针对贝叶斯潜在变量模型时，我们将分析基于时间消化的WGF交替最小化方案的算法收敛，用于实现MF近似。特别是，所提出的算法类似于EM算法的分布版本，包括更新潜在变量变异分布的E step以及在参数的变异分布上进行最陡峭下降的m step。我们的理论分析依赖于概率度量空间中的最佳运输理论和细分微积分。我们证明了时间限制的WGF的指数收敛性，以最大程度地减少普通大地测量学严格的凸度的通用物镜功能。我们还提供了通过使用时间限制的WGF的固定点方程从MF近似获得的变异分布的指数收缩的新证明。我们将方法和理论应用于两个经典的贝叶斯潜在变量模型，即高斯混合模型和回归模型的混合物。还进行了数值实验，以补充这两个模型下的理论发现。

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.

随机梯度算法在大规模学习和推理问题中广泛用于优化和采样。但是，实际上，调整这些算法通常是使用启发式和反复试验而不是严格的，可概括的理论来完成的。为了解决理论和实践之间的这一差距，我们通过表征具有固定步长的非常通用的预处理随机梯度算法的迭代术的大样本行为来对调整参数的效果进行新的见解。在优化设置中，我们的结果表明，具有较大固定步长的迭代平均值可能会导致（局部）M-静态器的统计效率近似。在抽样环境中，我们的结果表明，通过适当的调整参数选择，限制固定协方差可以与Bernstein匹配 - 后验的von Mises限制，对模型错误指定后验的调整或MLE的渐近分布；而幼稚的调整极限与这些都不相对应。此外，我们认为可以在数据集对固定数量的通行证后获得基本独立的样本。我们使用模拟和真实数据通过多个实验来验证渐近样结果。总体而言，我们证明具有恒定步长的正确调整的随机梯度算法为获得点估计或后部样品提供了计算上有效且统计上健壮的方法。

我们介绍和分析并分析并行蒙特蒙特卡罗方法，了解优化问题的数值解决方案，涉及最小化成本函数，该功能包括许多单独组件的总和。该方案是一种随机零顺序优化算法，只需要评估成本函数的小组集的能力。它可以描绘为一组采样器，可以产生几个概率措施序列的粒子近似。这些措施是以一种方式构建的，使得它们具有相关的概率密度函数，其全球最大值与原始成本函数的全局最小值相一致。该算法选择最佳的执行采样器，并使用它来近似于成本函数的全局最小值。我们在分析上证明了所得估计器几乎肯定地将成本函数的全局最小值收敛并提供了产生的蒙特卡罗样本的数量和搜索空间的维度的显性收敛速率。我们通过数值示例显示该算法可以用多个最小值或具有宽的“平坦”区域来解决成本函数，这很难使用基于梯度的技术最小化。

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。

我们提出了一种非常重要的抽样方法，该方法适用于估计高维问题中的罕见事件概率。我们将一般重要性抽样问题中的最佳重要性分布近似为在订单保留转换组成下的参考分布的推动力，在这种转换的组成下，每种转换都是由平方的张量训练 - 培训分解形成的。平方张量训练的分解提供了可扩展的ANSATZ，用于通过密度近似值来构建具有订单的高维转换。沿着一系列桥接密度移动的地图组成的使用减轻了直接近似浓缩密度函数的难度。为了计算对非规范概率分布的期望，我们设计了一个比率估计器，该比率估计器使用单独的重要性分布估算归一化常数，这再次通过张量训练格式的转换组成构建。与自称的重要性抽样相比，这提供了更好的理论差异，因此为贝叶斯推理问题中罕见事件概率的有效计算打开了大门。关于受微分方程约束的问题的数值实验显示，计算复杂性几乎没有增加，事件概率将零，并允许对迄今为止对复杂，高维后密度的罕见事件概率的迄今无法获得的估计。

We study non-parametric estimation of the value function of an infinite-horizon $\gamma$-discounted Markov reward process (MRP) using observations from a single trajectory. We provide non-asymptotic guarantees for a general family of kernel-based multi-step temporal difference (TD) estimates, including canonical $K$-step look-ahead TD for $K = 1, 2, \ldots$ and the TD$(\lambda)$ family for $\lambda \in [0,1)$ as special cases. Our bounds capture its dependence on Bellman fluctuations, mixing time of the Markov chain, any mis-specification in the model, as well as the choice of weight function defining the estimator itself, and reveal some delicate interactions between mixing time and model mis-specification. For a given TD method applied to a well-specified model, its statistical error under trajectory data is similar to that of i.i.d. sample transition pairs, whereas under mis-specification, temporal dependence in data inflates the statistical error. However, any such deterioration can be mitigated by increased look-ahead. We complement our upper bounds by proving minimax lower bounds that establish optimality of TD-based methods with appropriately chosen look-ahead and weighting, and reveal some fundamental differences between value function estimation and ordinary non-parametric regression.