We consider random-design linear prediction and related questions on the lower tail of random matrices. It is known that, under boundedness constraints, the minimax risk is of order $d/n$ in dimension $d$ with $n$ samples. Here, we study the minimax expected excess risk over the full linear class, depending on the distribution of covariates. First, the least squares estimator is exactly minimax optimal in the well-specified case, for every distribution of covariates. We express the minimax risk in terms of the distribution of statistical leverage scores of individual samples, and deduce a minimax lower bound of $d/(n-d+1)$ for any covariate distribution, nearly matching the risk for Gaussian design. We then obtain sharp nonasymptotic upper bounds for covariates that satisfy a "small ball"-type regularity condition in both well-specified and misspecified cases. Our main technical contribution is the study of the lower tail of the smallest singular value of empirical covariance matrices at small values. We establish a lower bound on this lower tail, valid for any distribution in dimension $d \geq 2$, together with a matching upper bound under a necessary regularity condition. Our proof relies on the PAC-Bayes technique for controlling empirical processes, and extends an analysis of Oliveira devoted to a different part of the lower tail.


翻译:我们考虑随机设计线性预测和随机矩阵下尾端的相关问题,已知在约束性限制下,小麦风险在维度上为美元/美元,用美元样本为美元。在这里,我们研究整个线性类的小型最大预期超风险,视共差分布情况而定。首先,最小方形估计值在每组变量分布上都是最微式最大最佳的。我们用单个样本的统计杠杆分数分布表示小麦风险,并推算出一个小麦角下限,每组次为美元/(n-d+1)美元,与高斯设计的风险几乎相当。然后,我们为符合“小球”类型常规常态的共变数获得清晰的不稳性上限。我们的主要技术贡献是研究小值实性缩微缩缩缩缩缩微缩缩缩缩缩图的尾部部部部,并推算出一个低度的低端框框,在任何常规尾部的尾部分析中,在常规尾部分析中,对常规尾部的尾部进行匹配。

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