Supervised learning problems with side information in the form of a network arise frequently in applications in genomics, proteomics and neuroscience. For example, in genetic applications, the network side information can accurately capture background biological information on the intricate relations among the relevant genes. In this paper, we initiate a study of Bayes optimal learning in high-dimensional linear regression with network side information. To this end, we first introduce a simple generative model (called the Reg-Graph model) which posits a joint distribution for the supervised data and the observed network through a common set of latent parameters. Next, we introduce an iterative algorithm based on Approximate Message Passing (AMP) which is provably Bayes optimal under very general conditions. In addition, we characterize the limiting mutual information between the latent signal and the data observed, and thus precisely quantify the statistical impact of the network side information. Finally, supporting numerical experiments suggest that the introduced algorithm has excellent performance in finite samples.


翻译:监督学习问题中常伴随网络形式的侧信息,这类问题在基因组学、蛋白质组学和神经科学等应用中频繁出现。例如,在遗传学应用中,网络侧信息能够准确捕捉相关基因间复杂关系的背景生物学信息。本文首次系统研究了网络侧信息下高维线性回归中的贝叶斯最优学习。为此,我们首先引入一个简单的生成模型(称为Reg-Graph模型),该模型通过一组共同的潜在参数对监督数据和观测网络建立联合分布。随后,我们提出一种基于近似消息传递(AMP)的迭代算法,该算法在非常一般的条件下可证明是贝叶斯最优的。此外,我们刻画了潜在信号与观测数据之间的极限互信息,从而精确量化网络侧信息的统计影响。最后,支持性的数值实验表明,所提算法在有限样本下具有卓越性能。

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