We develop a unified statistical framework for softmax-gated Gaussian mixture of experts (SGMoE) that addresses three long-standing obstacles in parameter estimation and model selection: (i) non-identifiability of gating parameters up to common translations, (ii) intrinsic gate-expert interactions that induce coupled differential relations in the likelihood, and (iii) the tight numerator-denominator coupling in the softmax-induced conditional density. Our approach introduces Voronoi-type loss functions aligned with the gate-partition geometry and establishes finite-sample convergence rates for the maximum likelihood estimator (MLE). In over-specified models, we reveal a link between the MLE's convergence rate and the solvability of an associated system of polynomial equations characterizing near-nonidentifiable directions. For model selection, we adapt dendrograms of mixing measures to SGMoE, yielding a consistent, sweep-free selector of the number of experts that attains pointwise-optimal parameter rates under overfitting while avoiding multi-size training. Simulations on synthetic data corroborate the theory, accurately recovering the expert count and achieving the predicted rates for parameter estimation while closely approximating the regression function. Under model misspecification (e.g., $\epsilon$-contamination), the dendrogram selection criterion is robust, recovering the true number of mixture components, while the Akaike information criterion, the Bayesian information criterion, and the integrated completed likelihood tend to overselect as sample size grows. On a maize proteomics dataset of drought-responsive traits, our dendrogram-guided SGMoE selects two experts, exposes a clear mixing-measure hierarchy, stabilizes the likelihood early, and yields interpretable genotype-phenotype maps, outperforming standard criteria without multi-size training.


翻译:我们为软门控高斯混合专家模型(SGMoE)建立了一个统一的统计框架,解决了参数估计和模型选择中长期存在的三个障碍:(i) 门控参数在公共平移下的不可识别性,(ii) 门控-专家内在交互作用导致似然函数中的耦合微分关系,以及(iii) 由softmax诱导的条件密度中分子与分母的紧密耦合。我们的方法引入了与门控划分几何结构对齐的Voronoi型损失函数,并为极大似然估计量(MLE)建立了有限样本收敛速率。在过参数化模型中,我们揭示了MLE收敛速率与一个关联多项式方程组可解性之间的联系,该方程组刻画了近不可识别方向。对于模型选择,我们将混合测度的树状图方法适配至SGMoE,从而得到一种无需扫描的、一致的专家数量选择器,该选择器在过拟合情况下达到逐点最优参数速率,同时避免了多尺寸模型训练。在合成数据上的仿真实验验证了理论结果,准确恢复了专家数量并以预测速率实现了参数估计,同时紧密逼近了回归函数。在模型误设情况下(例如$\epsilon$-污染),树状图选择准则具有鲁棒性,能恢复真实的混合分量数量,而Akaike信息准则、贝叶斯信息准则和积分完全似然准则则随着样本量增长倾向于过度选择。在玉米干旱响应性状的蛋白质组学数据集上,我们基于树状图指导的SGMoE选择了两个专家,揭示了清晰的混合测度层次结构,早期稳定了似然函数,并产生了可解释的基因型-表型映射图,其性能优于无需多尺寸训练的标准准则。

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