Theoretical Foundations of Functional Data Analysis

Theoretical Foundations of Functional Data Analysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Wiley
作者:Tailen Hsing
出品人:
页数:384
译者:
出版时间:2015-5
价格:EUR 75
装帧:Hardcover
isbn号码:9780470016916
丛书系列:
图书标签:
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具体描述

Theoretical Foundations of Functional Data Analysis, with an Introduction to Linear Operators provides a uniquely broad compendium of the key mathematical concepts and results that are relevant for the theoretical development of functional data analysis (FDA).

The self–contained treatment of selected topics of functional analysis and operator theory includes reproducing kernel Hilbert spaces, singular value decomposition of compact operators on Hilbert spaces and perturbation theory for both self–adjoint and non self–adjoint operators. The probabilistic foundation for FDA is described from the perspective of random elements in Hilbert spaces as well as from the viewpoint of continuous time stochastic processes. Nonparametric estimation approaches including kernel and regularized smoothing are also introduced. These tools are then used to investigate the properties of estimators for the mean element, covariance operators, principal components, regression function and canonical correlations. A general treatment of canonical correlations in Hilbert spaces naturally leads to FDA formulations of factor analysis, regression, MANOVA and discriminant analysis.

This book will provide a valuable reference for statisticians and other researchers interested in developing or understanding the mathematical aspects of FDA. It is also suitable for a graduate level special topics course.

探索数据的内在结构与规律:一门关于函数式数据的理论基石 在当今信息爆炸的时代,数据以各种形式涌现,其复杂性和维度不断攀升。传统的数据分析方法在面对具有内在时间序列、空间关联或其他连续变量依赖性的数据时,往往显得力不从心。这些数据,例如心电图、股票价格曲线、气候变化观测记录、图像的灰度变化,甚至是大规模实验中连续变化的反应轨迹,都具有一个共同的特征——它们可以被看作是函数。它们不是孤立的点,而是描述了某个变量在另一连续变量上的“形状”或“轨迹”。 本书《Theoretical Foundations of Functional Data Analysis》将带您深入探索一个新兴且充满活力的统计学分支:函数式数据分析(Functional Data Analysis, FDA)。FDA的核心思想是将观测到的离散数据点视为函数在某个连续域上的采样,从而能够更全面、更深刻地理解数据的内在结构和变化规律。本书并非对特定应用领域的罗列,而是聚焦于构建这一分析框架的理论根基,为您提供坚实的数学和统计学支撑。 为何需要函数式数据分析? 想象一下,您在分析一组病人的心电图。传统的做法可能是提取一些离散的特征,如心率、QRS波群的时长等。然而,心电图的整体形状、波形的平滑度、是否存在微小的异常波动,这些信息可能蕴含着比简单数值特征更丰富、更关键的诊断信息。FDA正是为了捕捉这种连续变化信息而生。它允许我们将整个心电图曲线作为一个函数对象来处理,从而进行更精细的比较、分类、回归甚至预测。 本书的内容概览 本书将系统性地介绍函数式数据分析中的核心理论概念和方法。我们将从以下几个关键方面展开: 函数表示与平滑(Function Representation and Smoothing): 在FDA中,我们首先需要将离散的观测数据转化为连续的函数。本书将详细探讨几种常用的函数表示方法,包括基函数展开(Basis Expansion),如傅里叶基、多项式基、B样条基等。您将学习如何根据数据的特性选择合适的基函数,以及如何利用这些基函数对原始数据进行平滑(Smoothing),以去除噪声并捕捉数据的真实函数形态。我们将深入讨论平滑的原理,例如核平滑(Kernel Smoothing)和局部回归(Local Regression),以及与之相关的偏差-方差权衡问题。 函数式数据模型(Functional Data Models): 一旦我们将数据表示为函数,我们就可以构建各种统计模型来理解它们。本书将重点介绍函数式主成分分析(Functional Principal Component Analysis, FPCA)。FPCA是FDA中最基础也最重要的工具之一,它能够捕捉函数数据的主要变化模式,类似于经典主成分分析(PCA)在向量数据中的作用。您将理解FPCA的数学推导,包括协方差算子(Covariance Operator)的概念,以及如何利用它来降维和揭示函数数据的潜在结构。 此外,我们还将探讨函数式回归模型(Functional Regression Models)。这包括单变量函数式回归(Scalar-on-Function Regression),即预测一个标量响应变量,而预测变量是一个函数;以及函数式-函数式回归(Function-on-Function Regression),即预测一个函数响应变量,而预测变量也是一个函数。本书将深入讲解这些模型的理论框架,包括参数估计、模型假设以及推断方法。 函数式数据的聚类与分类(Functional Data Clustering and Classification): 在函数式数据分析中,我们同样可以对函数进行聚类和分类。本书将介绍如何将经典的聚类算法(如K-means)推广到函数空间,以及如何基于函数形状的相似性进行聚类。在分类方面,我们将探讨如何构建能够处理函数型预测变量的分类器,例如函数式判别分析(Functional Discriminant Analysis)。 函数式数据分析的统计推断(Statistical Inference for Functional Data): 理论的深入离不开严格的统计推断。本书将关注函数式数据模型中的参数估计、置信区间构建以及假设检验等问题。我们将探讨在函数空间中进行推断所面临的挑战,以及相应的统计理论和方法。 优化与计算(Optimization and Computation): 许多FDA方法在理论上是优雅的,但在实践中需要高效的计算算法。本书将简要介绍与FDA相关的数值优化技术,以及如何在实际中实现这些模型。 本书的特点 本书的宗旨是提供一个严谨且全面的理论框架。我们避免陷入具体应用案例的细节,而是专注于揭示FDA背后的数学原理和统计思想。您将在这里找到对核心概念的清晰阐释,对关键算法的深入剖析,以及对统计性质的严谨论证。 本书的目标读者是对统计学、数学、机器学习或相关领域的理论基础有一定了解的研究人员、研究生以及对函数式数据分析感兴趣的专业人士。通过阅读本书,您将能够: 深刻理解函数式数据分析的理论内涵,而不仅仅是停留在应用层面。 掌握构建和解释函数式数据模型的数学工具。 为开发新的FDA方法或理解现有方法的局限性打下坚实基础。 为在您的研究或工作中有效地应用FDA技术提供信心和能力。 如果您希望真正理解函数式数据分析的精髓,掌握其核心的理论武器,那么本书将是您不可或缺的理论基石。它将开启您对数据更深层次的洞察,让您能够从连续变化的视角,发掘数据中隐藏的宝贵信息。

作者简介

Tailen Hsing Professor, Department of Statistics, University of Michigan, USA. Professor Hsing is a fellow of International Statistical Institute and of the Institute of Mathematical Statistics. He has published numerous papers on subjects ranging from bioinformatics to extreme value theory, functional data analysis, large sample theory and processes with long memory.

Randall Eubank Professor Emeritus, School of Mathematical and Statistical Sciences, Arizona State University, USA. Professor Eubank is well know and respected in the functional data analysis (FDA) field. He has published numerous papers on the subject and is a regular invited speaker at key meetings.

目录信息

Table of Contents
Preface xi
1 Introduction 1
1.1 Multivariate analysis in a nutshell 2
1.2 The path that lies ahead 13
2 Vector and function spaces 15
2.1 Metric spaces 16
2.2 Vector and normed spaces 20
2.3 Banach and Lp spaces 26
2.4 Inner Product and Hilbert spaces 31
2.5 The projection theorem and orthogonal decomposition 38
2.6 Vector integrals 40
2.7 Reproducing kernel Hilbert spaces 46
2.8 Sobolev spaces 55
3 Linear operator and functionals 61
3.1 Operators 62
3.2 Linear functionals 66
3.3 Adjoint operator 71
3.4 Nonnegative, square-root, and projection operators 74
3.5 Operator inverses 77
3.6 Fréchet and Gâteaux derivatives 83
3.7 Generalized Gram–Schmidt decompositions 87
4 Compact operators and singular value decomposition 91
4.1 Compact operators 92
4.2 Eigenvalues of compact operators 96
4.3 The singular value decomposition 103
4.4 Hilbert–Schmidt operators 107
4.5 Trace class operators 113
4.6 Integral operators and Mercer’s Theorem 116
4.7 Operators on an RKHS 123
4.8 Simultaneous diagonalization of two nonnegative definite operators 126
5 Perturbation theory 129
5.1 Perturbation of self-adjoint compact operators 129
5.2 Perturbation of general compact operators 140
6 Smoothing and regularization 147
6.1 Functional linear model 147
6.2 Penalized least squares estimators 150
6.3 Bias and variance 157
6.4 A computational formula 158
6.5 Regularization parameter selection 161
6.6 Splines 165
7 Random elements in a Hilbert space 175
7.1 Probability measures on a Hilbert space 176
7.2 Mean and covariance of a random element of a Hilbert space 178
7.3 Mean-square continuous processes and the Karhunen–Lòeve Theorem 184
7.4 Mean-square continuous processes in L2 (E,B(E), mu) 190
7.5 RKHS valued processes 195
7.6 The closed span of a process 198
7.7 Large sample theory 203
8 Mean and covariance estimation 211
8.1 Sample mean and covariance operator 212
8.2 Local linear estimation 214
8.3 Penalized least-squares estimation 231
9 Principal components analysis 251
9.1 Estimation via the sample covariance operator 253
9.2 Estimation via local linear smoothing 255
9.3 Estimation via penalized least squares 261
10 Canonical correlation analysis 265
10.1 CCA for random elements of a Hilbert space 267
10.2 Estimation 274
10.3 Prediction and regression 281
10.4 Factor analysis 284
10.5 MANOVA and discriminant analysis 288
10.6 Orthogonal subspaces and partial cca 294
11 Regression 305
11.1 A functional regression model 305
11.2 Asymptotic theory 308
11.3 Minimax optimality 318
11.4 Discretely sampled data 321
References 327
Index 331
Notation Index 334
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书在数据科学领域绝对是一股清流,它没有陷入那些浮于表面的算法堆砌,而是扎扎实实地探讨了函数型数据分析的深层数学原理。我花了大量时间去消化其中关于核函数选择和降维技术的章节,发现作者的处理方式极其严谨且富有洞察力。特别是关于特征函数分解的论述,它清晰地展示了如何从高维、无限维的数据空间中优雅地提取出最具解释力的模式。阅读过程虽然充满挑战,需要扎实的线性代数和泛函分析基础,但每攻克一个难点,都会带来豁然开朗的喜悦。这本书的价值不在于提供现成的“即插即用”的工具包,而在于构建一个坚固的理论框架,让你能够理解“为什么”这些方法有效,并在面对前沿、非标准数据集时,有能力自己设计出合理的分析策略。对于那些希望从“数据分析师”跃升到“数据科学家”或研究人员的读者来说,这是一本不容错过的基石之作。它真正做到了“授人以渔”,而不是仅仅“授人以鱼”。

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老实说,我带着对“新颖”统计方法的期待打开了这本书,但很快意识到这根本不是一本流行读物。它更像是一本为博士生和资深研究人员量身定制的参考手册。作者对误差分解和推断性统计(Inference)的处理,达到了教科书级别的标准。他们没有回避函数型协方差估计中的奇异性问题,而是直接给出了基于半参数模型和惩罚方法的稳健解决方案。这种直面复杂性的勇气,让这本书的含金量倍增。尤其让我印象深刻的是关于函数型回归模型中异方差性处理的部分,那种层层递进的数学推导,清晰地展示了如何从经典的最小二乘框架扩展到更具鲁棒性的模型。尽管阅读起来需要极大的专注力,但我可以肯定地说,对于任何需要在生物统计、气候科学或经济时间序列等领域进行深度建模的人士,这本书提供了不可替代的理论武器库。

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这本书的叙事节奏和结构安排,简直就是一场精妙的智力探险。起初,它以一种近乎哲学思辨的方式引入函数型数据的概念,将原本抽象的曲线、图像等数据类型,稳健地锚定在了测度论和希尔伯特空间这些坚实的数学土壤之上。然后,作者逐步引入了平滑化、正交基展开等核心技术,每一步都衔接得天衣无缝,逻辑链条异常紧密。我特别欣赏作者在处理实际应用例子时的克制——他们没有用太多花哨的、与核心理论无关的案例来分散注意力,而是聚焦于如何通过理论推导来指导模型选择和参数估计。这使得全书的论证力量非常集中和强大。唯一美中不足的是,对于初学者而言,书中引用的某些高等数学概念可能需要反复查阅辅助教材,但正是这种对严谨性的坚持,保证了其作为一本“理论基础”著作的权威性。读完后,你会觉得对任何涉及函数型数据处理的文献都能自信地审视其方法论的合理性。

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我发现这本书最迷人的一点在于它对“维度灾难”问题的深刻理解和优雅的规避策略。在传统的多元统计中,维度增加往往意味着计算复杂度和模型不稳定的螺旋式上升,但作者通过将数据视为函数而非向量点,巧妙地将问题转化为了函数空间中的优化和投影问题。章节中关于主成分分析(FPCA)的展开尤其精彩,它不仅仅是简单地介绍了特征值和特征向量,而是深入探讨了在无限维空间中如何定义“方差最大化”的意义,以及这些特征函数的统计解释性。这种视角转换是革命性的。这本书迫使你重新思考“数据点”的本质——它不再是孤立的数字集合,而是一个连续的、可微分的实体。对于期望设计全新分析工具而非仅仅使用现有软件的读者,这本书提供了必须掌握的数学直觉。

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从排版和组织上看,这本书的风格非常古典和学术化,没有太多分散注意力的图示或现代数据可视化的元素,完全聚焦于符号和证明。这对于追求纯粹理论深度的读者来说是一种享受。作者在推导过程中对符号的定义和使用保持了一致性和精确性,使得我可以很容易地在不同的定理和推论之间追踪逻辑的流向。我特别赞赏书中对大样本性质和渐近分布的讨论,这确保了我们所推导出的估计量不仅在有限样本下有良好的表现,而且在理论上是可靠的。它为你理解为什么诸如Bootstrap或置换检验在函数空间中需要特殊处理提供了坚实的理论基础。总而言之,这是一本需要时间沉淀才能真正品味出其深厚功力的著作,它为函数型数据分析领域树立了一个极高的理论标杆。

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上一门 FDA 课的时候看过, 当时还觉得挺有用的.

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