We study the problem of estimating precision matrices in multivariate Gaussian distributions where all partial correlations are nonnegative, also known as multivariate totally positive of order two ($\mathrm{MTP}_2$). Such models have received significant attention in recent years, primarily due to interesting properties, e.g., the maximum likelihood estimator exists with as few as two observations regardless of the underlying dimension. We formulate this problem as a weighted $\ell_1$-norm regularized Gaussian maximum likelihood estimation under $\mathrm{MTP}_2$ constraints. On this direction, we propose a novel projected Newton-like algorithm that incorporates a well-designed approximate Newton direction, which results in our algorithm having the same orders of computation and memory costs as those of first-order methods. We prove that the proposed projected Newton-like algorithm converges to the minimizer of the problem. We further show, both theoretically and experimentally, that the minimizer of our formulation using the weighted $\ell_1$-norm is able to recover the support of the underlying precision matrix correctly without requiring the incoherence condition present in $\ell_1$-norm based methods. Experiments involving synthetic and real-world data demonstrate that our proposed algorithm is significantly more efficient, from a computational time perspective, than the state-of-the-art methods. Finally, we apply our method in financial time-series data, which are well-known for displaying positive dependencies, where we observe a significant performance in terms of modularity value on the learned financial networks.


翻译:我们研究在多变 Gausian 分布中估算精确矩阵的问题, 所有部分关联都是非负性的, 也称为二号订单的多变完全正数( mmathrm{MTP ⁇ 2$ ) 。 近年来,这些模型受到极大关注, 主要是由于有趣的属性, 例如, 最大可能性估计值存在, 且无论基本层面如何, 最多只有两点观测。 我们将此问题表述为加权 $@ ell_ 1$- norm 常规化的 Gaussian 最大可能性估计值, 在 $\ mathrm{ MTP ⁇ 2$ 的限制下。 在这个方向上, 我们提出一个新的预测的牛顿型类似算法, 包含一个设计完善的近似牛顿方向。 这导致我们的算法的计算和记忆成本与一阶方法相同。 我们证明, 预测的牛顿式算法与问题的最小值一致。 我们的公式在理论上和实验性估算值中, 我们的最小化的公式, 能够从一个准确的精确度矩阵中恢复支持 美元 的精确度矩阵矩阵 。

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