How do statistical dependencies in measurement noise influence high-dimensional inference? To answer this, we study the paradigmatic spiked matrix model of principal components analysis (PCA), where a rank-one matrix is corrupted by additive noise. We go beyond the usual independence assumption on the noise entries, by drawing the noise from a low-order polynomial orthogonal matrix ensemble. The resulting noise correlations make the setting relevant for applications but analytically challenging. We provide the first characterization of the Bayes-optimal limits of inference in this model. If the spike is rotation-invariant, we show that standard spectral PCA is optimal. However, for more general priors, both PCA and the existing approximate message passing algorithm (AMP) fall short of achieving the information-theoretic limits, which we compute using the replica method from statistical mechanics. We thus propose a novel AMP, inspired by the theory of Adaptive Thouless-Anderson-Palmer equations, which saturates the theoretical limit. This AMP comes with a rigorous state evolution analysis tracking its performance. Although we focus on specific noise distributions, our methodology can be generalized to a wide class of trace matrix ensembles at the cost of more involved expressions. Finally, despite the seemingly strong assumption of rotation-invariant noise, our theory empirically predicts algorithmic performance on real data, pointing at remarkable universality properties.


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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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