What property of the data distribution determines the excess risk of principal component analysis? In this paper, we provide a precise answer to this question. We establish a central limit theorem for the error of the principal subspace estimated by PCA, and derive the asymptotic distribution of its excess risk under the reconstruction loss. We obtain a non-asymptotic upper bound on the excess risk of PCA that recovers, in the large sample limit, our asymptotic characterization. Underlying our contributions is the following result: we prove that the negative block Rayleigh quotient, defined on the Grassmannian, is generalized self-concordant along geodesics emanating from its minimizer of maximum rotation less than $\pi/4$.


翻译:数据分布的何种性质决定了主成分分析的超额风险?本文针对该问题给出了精确解答。我们建立了主成分分析估计的主子空间误差的中心极限定理,并推导了其在重构损失下超额风险的渐近分布。我们获得了主成分分析超额风险的非渐近上界,该上界在大样本极限下恢复了我们的渐近刻画。我们贡献的基础是以下结果:我们证明了定义在格拉斯曼流形上的负分块瑞利商,在从其最大旋转小于 $\pi/4$ 的最小值点出发的测地线上是广义自协调的。

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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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