We consider the problem of estimating the difference between two functional undirected graphical models with shared structures. In many applications, data are naturally regarded as a vector of random functions rather than a vector of scalars. For example, electroencephalography (EEG) data are more appropriately treated as functions of time. In such a problem, not only can the number of functions measured per sample be large, but each function is itself an infinite dimensional object, making estimation of model parameters challenging. This is further complicated by the fact that the curves are usually only observed at discrete time points. We first define a functional differential graph that captures the differences between two functional graphical models and formally characterize when the functional differential graph is well defined. We then propose a method, FuDGE, that directly estimates the functional differential graph without first estimating each individual graph. This is particularly beneficial in settings where the individual graphs are dense, but the differential graph is sparse. We show that FuDGE consistently estimates the functional differential graph even in a high-dimensional setting for both fully observed and discretely observed function paths. We illustrate the finite sample properties of our method through simulation studies. We also propose a competing method, the Joint Functional Graphical Lasso, which generalizes the Joint Graphical Lasso to the functional setting. Finally, we apply our method to EEG data to uncover differences in functional brain connectivity between a group of individuals with alcohol use disorder and a control group.


翻译:我们考虑的是估算两个功能性、非方向、有共享结构的图形模型之间的差异问题。在许多应用中,数据自然被视为随机函数的矢量,而不是卡路里矢量。例如,电子脑摄影(EEEG)数据被作为时间函数处理更为恰当。在这样一个问题中,不仅每个样本所测量的功能数量巨大,而且每个函数本身都是无限的维度对象,因此模型参数的估算具有挑战性。由于曲线通常只在离散时间点上观测,这更为复杂。我们首先定义一个功能差异图,以捕捉两个功能性图形模型之间的差异,而在功能差异图定义完善时,则正式定性。我们然后提出一种方法,即FUDGE,直接估算功能差异图,而不首先估算每个单个图形。在单个图形密度高的地方,这不仅能帮助每个样本,而且差异图本身也是稀疏远的。我们显示,即使在完全观察和独立观察的功能性函数路径的设置时,曲线也会进一步复杂。我们通过模拟研究来说明我们方法的有限样本特性特性特性,我们最后用一个功能性的方法来对比。

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