Principal component analysis (PCA) is one of the most popular methods for dimension reduction. In light of the rapidly growing large-scale data in federated ecosystems, the traditional PCA method is often not applicable due to privacy protection considerations and large computational burden. Algorithms were proposed to lower the computational cost, but few can handle both high dimensionality and massive sample size under the distributed setting. In this paper, we propose the FAst DIstributed (FADI) PCA method for federated data when both the dimension $d$ and the sample size $n$ are ultra-large, by simultaneously performing parallel computing along $d$ and distributed computing along $n$. Specifically, we utilize $L$ parallel copies of $p$-dimensional fast sketches to divide the computing burden along $d$ and aggregate the results distributively along the split samples. We present FADI under a general framework applicable to multiple statistical problems, and establish comprehensive theoretical results under the general framework. We show that FADI enjoys the same non-asymptotic error rate as the traditional PCA when $Lp \ge d$. We also derive inferential results that characterize the asymptotic distribution of FADI, and show a phase-transition phenomenon as $Lp$ increases. We perform extensive simulations to show that FADI substantially outperforms the existing methods in computational efficiency while preserving accuracy, and validate the distributional phase-transition phenomenon through numerical experiments. We apply FADI to the 1000 Genomes data to study the population structure.


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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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