Approximating a univariate function on the interval $[-1,1]$ with a polynomial is among the most classical problems in numerical analysis. When the function evaluations come with noise, a least-squares fit is known to reduce the effect of noise as more samples are taken. The generic algorithm for the least-squares problem requires $O(Nn^2)$ operations, where $N+1$ is the number of sample points and $n$ is the degree of the polynomial approximant. This algorithm is unstable when $n$ is large, for example $n\gg \sqrt{N}$ for equispaced sample points. In this study, we blend numerical analysis and statistics to introduce a stable and fast $O(N\log N)$ algorithm called NoisyChebtrunc based on the Chebyshev interpolation. It has the same error reduction effect as least-squares and the convergence is spectral until the error reaches $O(\sigma \sqrt{{n}/{N}})$, where $\sigma$ is the noise level, after which the error continues to decrease at the Monte-Carlo $O(1/\sqrt{N})$ rate. To determine the polynomial degree, NoisyChebtrunc employs a statistical criterion, namely Mallows' $C_p$. We analyze NoisyChebtrunc in terms of the variance and concentration in the infinity norm to the underlying noiseless function. These results show that with high probability the infinity-norm error is bounded by a small constant times $\sigma \sqrt{{n}/{N}}$, when the noise {is} independent and follows a subgaussian or subexponential distribution. We illustrate the performance of NoisyChebtrunc with numerical experiments.


翻译:在区间$[-1,1]$上利用多项式逼近单变量函数是数值分析中最经典的问题之一。当函数值带有噪声时,已知最小二乘拟合能够随着采样点数量的增加而降低噪声的影响。求解最小二乘问题的通用算法需要$O(Nn^2)$次运算,其中$N+1$为采样点数量,$n$为多项式逼近的次数。当$n$较大时,例如对于等距采样点有$n\gg \sqrt{N}$,该算法是不稳定的。在本研究中,我们融合数值分析与统计学,提出了一种基于切比雪夫插值的稳定快速$O(N\log N)$算法,称为NoisyChebtrunc。该算法具有与最小二乘法相同的误差衰减效果,且误差呈谱收敛直至达到$O(\sigma \sqrt{{n}/{N}})$,其中$\sigma$为噪声水平;此后误差继续以蒙特卡洛$O(1/\sqrt{N})$速率下降。为确定多项式次数,NoisyChebtrunc采用了一种统计准则,即Mallows' $C_p$。我们从方差和无穷范数集中性的角度分析了NoisyChebtrunc相对于底层无噪函数的逼近性能。结果表明,当噪声独立且服从亚高斯或亚指数分布时,以高概率保证无穷范数误差被$\sigma \sqrt{{n}/{N}}$的一个小常数倍所界。我们通过数值实验展示了NoisyChebtrunc的性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
自动结构变分推理,Automatic structured variational inference
专知会员服务
41+阅读 · 2020年2月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
69+阅读 · 2022年9月7日
Arxiv
16+阅读 · 2022年5月17日
Arxiv
18+阅读 · 2021年3月16日
Recent advances in deep learning theory
Arxiv
50+阅读 · 2020年12月20日
A survey on deep hashing for image retrieval
Arxiv
15+阅读 · 2020年6月10日
Optimization for deep learning: theory and algorithms
Arxiv
106+阅读 · 2019年12月19日
VIP会员
相关VIP内容
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
自动结构变分推理,Automatic structured variational inference
专知会员服务
41+阅读 · 2020年2月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
CNN 反向传播算法推导
统计学习与视觉计算组
30+阅读 · 2017年12月29日
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
相关论文
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员