Human migration exhibits complex spatiotemporal dependence driven by environmental and socioeconomic forces. Modeling such patterns at scale-often across multiple administrative or institutional boundaries-requires statistically efficient methods that remain robust under limited communication, i.e., when transmitting raw data or large design matrices across distributed nodes is costly or restricted. This paper develops a communication-efficient inference framework for Varying Coefficient Mixed Models (VCMMs) that accommodates many input variables in the mean structure and rich correlation induced by numerous random effects in hierarchical migration data. We show that a penalized spline estimator admit a Bayesian hierarchical representation, which in turn yields sufficient statistics that preserve the full likelihood contribution of each node when communication is unconstrained; aggregating these summaries reproduces the centralized estimator exactly. Under communication constraints, the same summaries define a surrogate likelihood enabling one-step estimation with first-order statistical efficiency. The framework also incorporates an SVD-enhanced implementation to ensure numerical stability and scalability, extending applicability to settings with many random effects, with or without communication limits. Statistical and theoretical guarantees are provided. Extensive simulations confirm the accuracy and robustness of the method. An application to U.S. migration flow data demonstrates its ability to efficiently and precisely uncover dynamic spatial patterns.


翻译:人类迁移展现出复杂的时空依赖性,由环境和社会经济因素驱动。在大规模建模此类模式时——通常跨越多个行政或制度边界——需要统计效率高的方法,在有限通信条件下保持稳健性,即在分布式节点间传输原始数据或大型设计矩阵成本高昂或受限时。本文为变系数混合模型开发了一种通信高效的推断框架,该框架能够容纳均值结构中的多个输入变量以及分层迁移数据中由大量随机效应引起的丰富相关性。我们证明,惩罚样条估计器允许贝叶斯分层表示,进而在通信无约束时产生足以保留每个节点完整似然贡献的充分统计量;聚合这些摘要可精确复现集中式估计器。在通信受限条件下,相同的摘要定义了一个替代似然,支持具有一阶统计效率的一步估计。该框架还集成了SVD增强实现,以确保数值稳定性和可扩展性,从而将适用性扩展到具有许多随机效应的场景,无论是否存在通信限制。我们提供了统计与理论保证。大量仿真验证了该方法的准确性和稳健性。对美国迁移流数据的应用展示了其高效、精确揭示动态空间模式的能力。

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