Skip to content

方法Method

固定设计 Knockoff 构造

Fixed-design knockoffs · Fixed-X knockoffs · 固定设计替身变量

在固定满秩正态线性模型中以精确Gram约束构造替身列,并由充分性及反对称性导出零坐标的联合符号公平性。

形式陈述 ​

固定的几何,随机的响应 ​

本页采用固定设计的线性回归模型

(1)Y=Xβ+ε,ε∼Nn(0,σ2In),σ>0.

X∈Rn×p已知、满列秩,p≥1且n≥2p;β与σ未知。真实零集合是H0={j:βj=0}。概率只来自响应以及算法预先引入的独立随机性。本页的直接构造不处理n<2p,这不是声称该范围绝无其他构造。

记Σ=XTX。它是正定矩阵,这里没有除以n。构造只使用X和独立于Y的预先随机数,不用响应来挑D、U或C。选对角矩阵D=diag(s1,…,sp),满足D⪰0、2Σ−D⪰0。替身矩阵X~∈Rn×p的目标是

(2)X~TX~=Σ,XTX~=Σ−D.

因此不同编号的原列与替身列保持同样内积,只有第j列和自己的替身之间,内积减少sj。

取U∈Rn×p满足UTU=Ip、UTX=0,再取C∈Rp×p满足

CTC=2D−DΣ−1D.

构造为

(3)X~=X(Ip−Σ−1D)+UC.

后文证明这样的U,C存在,并验证式(2)。当C秩亏时仍允许生成,不要求它可逆。

分数必须怎样对待两套列 ​

记增广矩阵A=[X X~]。统计量W∈Rp要同时满足两项条件:

  1. 充分性接口:存在同一个可测函数f,使W=f(ATA,ATY)。这里是对统计量允许使用的信息作限制;不必先把它称为整个模型的最小充分统计量。
  2. 交换反对称性:把任意第j原列与第j替身列交换后,Wj变号,其余坐标不变;多个互不相同的交换同时执行时,恰好翻转对应的符号。

一个容易核验的选择是

(4)Wj=|XjTY|−|X~jTY|.

更复杂的增广模型拟合也可以产生分数,但解的选择、调参和并列处理都须保留这两项性质。仅仅“把两套列都输入了学习器”并不能证明反对称性。

在式(1)与这些条件下,给定全部|Wj|和j∉H0的Wj,非零真零分数的符号独立公平。因而将W送入Knockoff+筛选,就有有限样本FDR不超过预定q。

直觉

替身不能是与所有原列都无关的噪声列。一个无效变量仍可能因为与真正有效的变量相关,而与响应有明显关联;它的替身需要保留这种“通过其他列获得的关联”。式(2)让每对竞争者面对其他变量时处于相同几何位置。

构造中的第一项位于原设计的列空间,负责与原列保持指定内积。第二项UC位于其正交补,不改变这些交叉内积,却补足替身自己的长度和相互内积。n≥2p保证正交补至少有p个方向可用。

本页并未把设计矩阵本身随机化成一对可交换样本。交换后的增广矩阵通常就是另一张不同的固定矩阵;真正不变的是充分统计向量在正态响应模型下的分布。这正是充分性接口的作用。

例子与边界

两列相关设计的全有理构造 ​

取

X=(13/504/50000),Σ=(13/53/51),D=1625I2.

Σ的特征值为2/5,8/5,所以2Σ−D的最小特征值为4/25>0。直接计算得到

I−Σ−1D=(03/53/50),C=(4/512/25016/25).

取U=[e3 e4],则

(5)X~=(9/253/512/2504/512/25016/25).

两列替身的长度平方都是1,内积为3/5;原列与自己的替身内积为9/25,与另一替身内积为3/5。这四种数值分别检查了式(2)的对角与非对角责任。

若响应为y=(7,9/4,−13/4,−41/16)T,则XTy=(7,6)T、X~Ty=(1,1)T,式(4)给W=(6,5)。两个正分数不意味着低FDR阈值下一定能选:例如q=1/4至少需要四项入选,加一规则在这里只能返回空集。终点把三块这样的设计组合起来,才完成有发现的选择与全符号风险枚举。

一个边界不应被另一个条件替代 ​

D=0总合法,但式(3)退化为X~=X,任何满足反对称性的确定分数都为零。这是正确却无识别能力的替身。选择较大的sj有助于区分竞争者,但必须一起满足矩阵半正定约束,不能逐坐标随意增大。

在单位正交设计Σ=Ip下,D=Ip可让替身与原设计正交;相关设计一般做不到同时保留式(2)并令交叉Gram为零。随机打乱行或独立生成噪声,即使保持各列方差,也未必保留所有非对角内积。

如果误差只同方差不相关而非联合正态,下面由均值和协方差识别分布的步骤没有依据。如果误差协方差为一般Ω,充分统计量的协方差变成ATΩA,式(2)也不再自动使它交换不变。模型改变后须重证分布,不宜只换标准误。

数值计算中“两个Gram很接近”同样不等于式(2)精确成立。浮点残差是诊断,有限误差下的FDR偏离需要额外稳健性定理;本页不给未证明的误差容限。

推论与应用

存在性与两个Gram等式 ​

块矩阵

G=(ΣΣ−DΣ−DΣ)

在和、差正交坐标(u+v)/2,(u−v)/2下变成diag(2Σ−D,D),因此G⪰0恰好对应所列两个半正定条件。进一步令H=Σ−1/2DΣ−1/2,则0⪯H⪯2I,从而

2D−DΣ−1D=Σ1/2(2H−H2)Σ1/2⪰0.

正定/半正定矩阵的平方根构造遂给出CTC分解,零特征值也可保留。另一方面,dim⁡col(X)⊥=n−p≥p,所以可选p个正交单位向量组成U。

式(3)的交叉项立即给XTX~=Σ−D。由于XTU=0,替身的Gram为

X~TX~=(I−DΣ−1)Σ(I−Σ−1D)+CTC=Σ−2D+DΣ−1D+2D−DΣ−1D=Σ.

这证明构造确实完成两个目标,而不只是通过了正定性检查。

为什么只在真实零坐标上分布不变 ​

令PS为交换原/替身第j对、j∈S的置换矩阵。D为对角阵意味着不同编号之间的四种交叉内积相同,所以

PSTGPS=G

对任意S成立。对于ATY,调用联合正态的线性变换可得

(6)ATY∼N2p((Σβ(Σ−D)β), σ2G).

交换第j对时,均值中两项的差是sjβj。若S⊆H0,这些差都为零,所以均值和协方差均保持不变。联合正态律由这两项确定,即使G奇异也成立,故PSTATY=dATY。

充分性把式(6)的不变性传给统计量,反对称性把同一交换解释为指定坐标变号。因此W的分布在任意真零符号翻转下不变。条件于全部绝对值和非零假设分数后,该条件分布仍不变;在非零真零坐标的2m种符号向量之间,翻转群作用传递,所以每种概率都为2−m。这恰是联合条件公平性,而不是仅有各边缘正负概率相同。

最后调用Knockoff+定理,将这个符号合同变成FDR保证。设计几何负责产生合法分数;阈值定理负责数据依赖选择,两步责任各自清楚。

计算接口与模型选择 ​

实现式(3)时可用QR的正交补产生U:保存X的Householder反射,把完整正交矩阵中第p+1至2p列应用出来即可,不必显式保存n×n矩阵。形成Gram、解ΣB=D、计算p×p半正定因子并组装替身,稠密算术成本为O(np2+p3),存储为O(np+p2)。这里把D作为已经给定且经验证的输入;额外优化D的成本另计。

求逆符号Σ−1D在程序中应通过线性方程求解实现。接近秩亏的设计会同时影响Gram和因子的可靠性;满秩这一数学输入不能由一个任意浮点容差自动认证。

Lasso支持恢复要求把整个支持恢复正确,通常消费额外的信号强度及设计条件;本页允许漏选与部分错选,控制的是所选集合的平均错误比例。去偏Lasso提供另一类渐近坐标推断。应按需要的结论选择接口,而不是看到稀疏回归就交换它们的保证。

参考资料
关系图谱16 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系