Motivated by applications to single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM), we study several problems of function estimation in a low SNR regime, where samples are observed under random rotations of the function domain. In a general framework of group orbit estimation with linear projection, we describe a stratification of the Fisher information eigenvalues according to a sequence of transcendence degrees in the invariant algebra, and relate critical points of the log-likelihood landscape to a sequence of method-of-moments optimization problems. This extends previous results for a discrete rotation group without projection. We then compute these transcendence degrees and the forms of these moment optimization problems for several examples of function estimation under $SO(2)$ and $SO(3)$ rotations, including a simplified model of cryo-EM as introduced by Bandeira, Blum-Smith, Kileel, Perry, Weed, and Wein. For several of these examples, we affirmatively resolve numerical conjectures that $3^\text{rd}$-order moments are sufficient to locally identify a generic signal up to its rotational orbit. For low-dimensional approximations of the electric potential maps of two small protein molecules, we empirically verify that the noise-scalings of the Fisher information eigenvalues conform with these theoretical predictions over a range of SNR, in a model of $SO(3)$ rotations without projection.


翻译:在对单粒冷冻电子显微镜(cryo-EM)的应用下,我们研究了低SNR制度下的一些功能估计问题,在这种制度下,在函数域随机旋转下观测样本。在以线性投影的分组轨道估计总框架内,我们根据变异代数中的超度度序列描述Fisher信息的精度值的分层,并将日志相似地貌的临界点与一组调时方法优化问题联系起来。这扩大了一个不投影的离散旋转组以前的结果。然后,我们对这些超度度度和这些时钟优化问题的形式进行比较,以在函数估计中用美元(SO(2)美元)和美元(SO(3)美元)进行若干示例,包括Bandeira、Blum-Smith、Kilelel、Perry、Weed和Wein采用的一个简化的冷冻-EM模型。对于其中几个例子,我们肯定地解决了3 ⁇ text{rd}美元顺序时段的数值的数值假设,足以在当地确定一个直到其旋转轨道上的通用信号模型,以美元为Siral-imal roal missional roal roislisal rol 的预测。

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