Modern approaches to supervised learning like deep neural networks (DNNs) typically implicitly assume that observed responses are statistically independent. In contrast, correlated data are prevalent in real-life large-scale applications, with typical sources of correlation including spatial, temporal and clustering structures. These correlations are either ignored by DNNs, or ad-hoc solutions are developed for specific use cases. We propose to use the mixed models framework to handle correlated data in DNNs. By treating the effects underlying the correlation structure as random effects, mixed models are able to avoid overfitted parameter estimates and ultimately yield better predictive performance. The key to combining mixed models and DNNs is using the Gaussian negative log-likelihood (NLL) as a natural loss function that is minimized with DNN machinery including stochastic gradient descent (SGD). Since NLL does not decompose like standard DNN loss functions, the use of SGD with NLL presents some theoretical and implementation challenges, which we address. Our approach which we call LMMNN is demonstrated to improve performance over natural competitors in various correlation scenarios on diverse simulated and real datasets. Our focus is on a regression setting and tabular datasets, but we also show some results for classification. Our code is available at https://github.com/gsimchoni/lmmnn.


翻译:监督学习的现代方法,如深神经网络(DNN)通常隐含地假定观测到的响应在统计上是独立的。相反,在现实的大规模应用中,相关数据很常见,典型的相关性来源包括空间、时间和群集结构。这些关联要么被DNN(DNN)忽视,要么为具体使用案例制定临时的热解解决方案。我们提议使用混合模型框架处理DNN(DNN)中的相关数据。通过将相关结构的影响视为随机效应,混合模型能够避免过配的参数估计,并最终产生更好的预测性能。混合模型和DNNNNN(NL)的关键是使用高斯的负日志相似性(NLL)作为自然损失函数,而DNNN机制(包括Stochacistic梯度脱钩(SGD)则被最小化。由于NNNNN(D)损失函数并不像标准的脱钩,使用SGD和NLL(NL)会带来一些理论和执行挑战。我们称之为LMMNNNNNN(L)的方法是为了在不同的模拟和真实数据设置中改善自然竞争者的自然竞争者的自然竞争者业绩。我们的重点是用来显示的缩压/制模/制表。我们的数据。我们用来显示和制模/制模/制。我们在不同的数据分类上的数据。

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