The non-parametric estimation of covariance lies at the heart of functional data analysis, whether for curve or surface-valued data. The case of a two-dimensional domain poses both statistical and computational challenges, which are typically alleviated by assuming separability. However, separability is often questionable, sometimes even demonstrably inadequate. We propose a framework for the analysis of covariance operators of random surfaces that generalises separability, while retaining its major advantages. Our approach is based on the expansion of the covariance into a series of separable terms. The expansion is valid for any covariance over a two-dimensional domain. Leveraging the key notion of the partial inner product, we extend the power iteration method to general Hilbert spaces and show how the aforementioned expansion can be efficiently constructed in practice. Truncation of the expansion and retention of the leading terms automatically induces a non-parametric estimator of the covariance, whose parsimony is dictated by the truncation level. The resulting estimator can be calculated, stored and manipulated with little computational overhead relative to separability. Consistency and rates of convergence are derived under mild regularity assumptions, illustrating the trade-off between bias and variance regulated by the truncation level. The merits and practical performance of the proposed methodology are demonstrated in a comprehensive simulation study and on classification of EEG signals.


翻译:对共差的非参数估计是功能性数据分析的核心,无论是曲线还是表面价值数据。二维领域的情况既提出了统计挑战,也提出了计算挑战,这通常通过假设分离而缓解。然而,分离性往往有疑问,有时甚至明显不足。我们提议了一个框架,用于分析随机表面的共差操作者,这种随机表面一般地分化,同时保留其主要优势。我们的方法的基础是将共差扩大为一系列可分化术语。扩展对于两维领域的任何共差都是有效的。将部分内产的关键概念加以利用,我们将权力转换方法扩大到一般的Hilbert空间,并表明如何在实践中有效地构建上述扩展。对主要术语的扩展和保留进行调整,将自动引起对共差的不单数估计,其偏差由调高等级决定。由此得出的估计可以与两维领域的任何共差。将部分内产产品的关键概念加以利用,我们将权力转换方法扩大到一般的Hilbert空间,并表明上述扩展在实际工作中是如何有效地构建的。调整性扩大和保留主要术语将自动引起一种非参数的估测测算性估计,其偏差程度是计算和测测测测度的精确度的平度的平率和测测测测度。

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