Tensor quantile regression with low-rank tensor train estimation

张量(固有定义) 数学 估计员 分位数回归 维数之咒 分位数 可解释性 数学优化 计算机科学 模式识别(心理学) 人工智能 应用数学 统计 纯数学
作者
Zihuan Liu,Cheuk Yin Lee,Heping Zhang
出处
期刊:The Annals of Applied Statistics [Institute of Mathematical Statistics]
卷期号:18 (2) 被引量:1
标识
DOI:10.1214/23-aoas1835
摘要

Neuroimaging studies often involve predicting a scalar outcome from an array of images collectively called tensor. The use of magnetic resonance imaging (MRI) provides a unique opportunity to investigate the structures of the brain. To learn the association between MRI images and human intelligence, we formulate a scalar-on-image quantile regression framework. However, the high dimensionality of the tensor makes estimating the coefficients for all elements computationally challenging. To address this, we propose a low-rank coefficient array estimation algorithm based on tensor train (TT) decomposition which we demonstrate can effectively reduce the dimensionality of the coefficient tensor to a feasible level while ensuring adequacy to the data. Our method is more stable and efficient compared to the commonly used, Canonic Polyadic rank approximation-based method. We also propose a generalized Lasso penalty on the coefficient tensor to take advantage of the spatial structure of the tensor, further reduce the dimensionality of the coefficient tensor, and improve the interpretability of the model. The consistency and asymptotic normality of the TT estimator are established under some mild conditions on the covariates and random errors in quantile regression models. The rate of convergence is obtained with regularization under the total variation penalty. Extensive numerical studies, including both synthetic and real MRI imaging data, are conducted to examine the empirical performance of the proposed method and its competitors.

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