One-step estimation of differentiable Hilbert-valued parameters¶
作者: Alex Luedtke, Incheoul Chung
来源: Annals of Statistics
主题: 因果推断
相关性: 9/10
链接: 期刊页 · arXiv
一、领域脉络与小综述¶
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这个方向是什么: 本方向处理一个基础但困难的统计推断问题:在非参数或半参数模型下,我们关注的参数(parameter/estimand)不是一个实数或有限维向量,而是一个取值于无限维希尔伯特空间的函数——例如一个条件密度函数、一个剂量-反应函数、或一个核均值嵌入(kernel mean embedding)。目标是在弱假设下(允许任意机器学习估计量处理高维或复杂微扰函数)构造出这个函数参数的估计量,并得到关于这个估计量的渐近保证(如 \( n^{-1/2} \) 收敛速率、半参数有效性、可构造置信集)。当前成熟度中等:对有限维参数的“单步估计量”(one-step estimator)理论和半参数效率界是经典的成熟内容,但直接推广到无限维参数面临一个根本困难——影响函数(influence function)本身需要是取值于该希尔伯特空间的函数,而路径可微(pathwise differentiability)与影响函数存在性之间的关系在无限维情形下变得微妙。这篇论文主要处理这个推广。
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发展脉络(history):
- 奠基工作:半参数效率理论(Bickel et al., 1993; Pfanzagl, 1990; van der Vaart, 1991; Newey, 1994)。这些经典著作系统建立了有限维半参数模型的渐近效率理论:路径可微参数存在一个高效影响函数(HFL函)等价于在光滑性假设下可以达到半参数效率界。Pfanzagl(1990)与Bickel等人(1993)的专著是根基,其中高效影响函数的构建依靠内积在切平面上的投影。
- 单步估计量与交叉拟合(cross-fitting)(Klaassen, 1987; Zheng & van der Laan, 2010; Chernozhukov et al., 2018)。单步估计量是一种经典方法:从某个初始估计出发,加上一个基于影响函数的一步校正,从而在万调节路径上达到效率。交叉拟合(用样本分割估计微扰函数与主估计量以避免过拟合)是现代操作,在Chernozhukov等人(2018)的“double/debiased machine learning”框架中普及。目前单步估计量主要处理有限维实数值参数或潜在结果模型的平均处理效应。
- 扩展到函数值的参数(van der Vaart & van der Laan, 2006; Kennedy et al., 2017; Künzel et al., 2019)。van der Vaart & van der Laan(2006)与Kennedy等人(2017)开始个别地处理具体的函数值参数(如条件平均处理效应CATE),用核方法或渐近分布的方法估计,但缺乏一个统一的希尔伯特值参数估计框架。这些工作通常针对特定函数类(如Lipschitz或Sobolev空间)或依赖特定的估计器(如分裂与元学习器)。
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当前frontier与本文位置(Luedtke & Chung, 2019,即本文)。作者试图在一个统一框架下处理任何取值于希尔伯特空间的参数,要求该参数满足路径可微条件。核心创新分两支:(i) 当参数空间是再生核希尔伯特空间(RKHS)时,高效影响函数存在且可构造单步估计量达到 \( n^{-1/2} \) 速率;(ii) 当希尔伯特空间缺乏再生核(即点赋值泛函不连续)时,许多路径可微参数事实上没有高效影响函数(该限制不同于有限维情形),作者为此提出正则化单步估计量与相应的置信集。整体看,这是对经典半参数理论的一次系统扩展。
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子线索聚类:
- 线索一:经典单步与交叉拟合估计量的框架统一(Zheng & van der Laan, 2010; Chernozhukov et al., 2018; van der Vaart, 1991)。这个簇专注于将单步估计量推广到复杂的微扰估计量(如ML)情景,但参数仅限有限维。本文将此推广到希尔伯特值参数。
- 线索二:因果推断中的函数参数(Gill et al., 1988; van der Laan & Rose, 2011; Rotnitzky et al., 2012; Kennedy et al., 2017; Künzel et al., 2019)。该簇专门处理特定函数参数(如剂量反应、CATE),通常依赖特定的核技巧或非参数回归,但缺乏一个统一的希尔伯特空间框架与效率保证。本文为这些参数提供了统一的估计框架,并在几个具体例子上展示。
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线索三:核均值嵌入与因果表示(Muandet et al., 2017; Lopez-Paz et al., 2015; Gretton et al., 2012)。该簇使用核方法将概率分布嵌入RKHS,以便进行因果推断(如核因果检验、核工具变量)。本文第四例(反事实核均值嵌入)直接连接这个簇。
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这个方向在追问的核心问题(2-3个):
- Q1:对于无限维参数,路径可微性能否保证高效影响函数的存在(在有限维情形下等价)?如果不能,什么额外条件足够?
- Q2:是否可以为任意希尔伯特值路径可微参数构造出具有 \( n^{-1/2} \) 速率和非参数有效的估计方法?正则化能否恢复效率?
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Q3:在处理复杂微扰函数(如深度学习)时,交叉拟合框架能否为函数值参数提供一致的根号n推断?
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⚠️ 作者的framing:
- 作者把缺口frame成“一类重要的参数(函数值参数)正缺少通用的估计理论”:现有工作要么针对特定函数类、要么只做平均处理效应这样的标量。本文声称通过“路径可微性 + 希尔伯特空间框架”可以将许多似不相关的估计问题统一处理。
- 被淡化的竞争路线:作者几乎不提“逐点估计再反平滑”(e.g. 对每个t估计E[Y(t)]并用核平滑)的简单替代方案——这一路线直观且在许多实际例子上表现尚可,但作者认为它缺乏有效影响函数的直接构造与效率保证。
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明显该被引/该存在却不在intro里:作者引用了Bickel等人(1993)与Pfanzagl(1990)作为半参数基础,但没有引用Bühlmann & van de Geer(2011)关于高维非参数光滑的著作,也不是每次都提到Tibshirani(1996)或LASSO相关分析的平滑处理——不过这可能因为本文处理的是函数值参数,不需要高维情形。一个值得注意的缺引:对于第四个例子(反事实核均值嵌入),论文引了Muandet等人(2017)但似乎未提到核均值嵌入的识别估计问题在因果效应中的早期工作(如Shalit et al., 2017或Johansson et al., 2016的巴氏正则化估计)。可能是个小缺口。
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张力: 在作者的论述中,被引的文献之间未出现明显对立:几乎所有引文都一致认为有限维参数单步估计量是可行的,并对函数参数的推广存在挑战。主要的张力在于(见下文)速度界限的实际可行性:理论上对RKHS参数一切顺遂,但许多真实应用中的参数空间可能不是RKHS(如L²参数),此时影响函数不存在——作者则提出正则化处理,但这需要研究者自行判断正则化参数的选择是否可行。论文内部存在内在张力(RKHS情形 vs. 非RKHS情形),但这是作者刻意构造的技术对比,不是文献间的矛盾。
二、最核心、最简单的例子 / 数学问题¶
第一步:把符号、模型、可观测数据交代清楚¶
- 符号:
- \( P \):数据分布(在样本空间 \( \mathcal{O} \) 上)。
- \( \Psi(P) \):我们要估计的 参数(estimand),是一个从分布空间 \( \mathcal{M} \) 到一个希尔伯特空间 \( \mathcal{H} \) 的映射。本文符号:\( \Psi: \mathcal{M} \to \mathcal{H} \)。
- \( \mathcal{H} \):一个希尔伯特空间,带有内积 \( \langle \cdot, \cdot \rangle_{\mathcal{H}} \) 与范数 \( \|\cdot\|_{\mathcal{H}} \)。
- \( \mathcal{O} \):可观测数据的一个随机样本;例如在因果推断中 \( O = (X, T, Y) \)。
- \( o \):一个小写斜体代表随机变量 \( O \) 的观测值。
- \( \mathcal{H} \) 上的“点赋值泛函(point evaluation functional)” \( \delta_h: f \mapsto f(h) \) 本文未用到具体符号,但概念重要:RKHS 保证每个点赋值泛函连续;非RKHS则没有此保证。
- \( P_n \):经验分布(基于 n 个样本)。
- \( \psi(P)(o) \):高效影响函数(efficient influence function, EIF),是取值于 \( \mathcal{H} \) 的函数;对每个分布 \( P \) 与观测 \( o \),\( \psi(P)(o) \) 是 \( \mathcal{H} \) 的一个元。它在“路径可微”(pathwise differentiable)条件下存在,且满足路径展开(pathwise expansion)。对于实值参数,它是一个实值函数;这里是希尔伯特值的函数。
- \( \hat{P}_n \):基于样本估计的微扰函数(nuisance parameters)的分布(如倾向分、结果回归),通常通过交叉拟合得到。
- \( \Psi_n^{\text{os}} \):单步估计量定义为 \( \Psi_n^{\text{os}} = \Psi(\hat{P}_n) + \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \psi(\hat{P}_n)(O_i) \),与经典单步形式一致,但 \( \psi \) 现在取值于 \( \mathcal{H} \)。
- \( \mathcal{M} \):允许的分布集合(统计模型),通常是非参数或半参数的。
- \( \mathcal{T}_P \):分布 \( P \) 处的 切空间(tangent space),包含所有可能的方向(score 函数);它是一个希尔伯特子空间。
- \( \dot{\Psi}_P(s) \):路径导数(pathwise derivative):沿路径 \( t \mapsto P_t \)(score 为 \( s \)),参数 \( \Psi(P_t) \) 在 \( t=0 \) 处的 \( \mathcal{H} \) 值导数。路径可微要求这个导数存在且是线性的(关于 \( s \in \mathcal{T}_P \))。那个线性映射 \( \dot{\Psi}_P \) 是 \( \mathcal{T}_P \to \mathcal{H} \) 的有界线性算子。
- 模型:无特殊参数结构;模型可以是非参数(所有绝对连续分布),也可以是半参数(如忽略混淆变量结构)。关键假设:参数 \( \Psi \) 是 路径可微(pathwise differentiable)的,即存在有界线性算子 \( \dot{\Psi}_P: \mathcal{T}_P \to \mathcal{H} \) 满足展开(见式 2.1)。
- 可观测数据:研究者可观测到 \( n \) 个独立同分布样本 \( O_1, \dots, O_n \)(例如每行包含 \( (X_i, T_i, Y_i) \))。研究者看不到理论上的“想要的参数” \( \Psi(P) \)(例如整个剂量反应函数曲线 \( t \mapsto E[Y(t)] \)),而只能从观测数据去估计它。不可观测的“潜在量”是反事实结果(如 \( Y(t) \)),但本文关注的是从观测数据识别出的条件函数,因此识别假设(如无混杂性、一致性)已经隐含在
\(\Psi\)的定义之中。
第二步:讲最小内核¶
最简特例:假设我们研究一个偏向于简单的因果推断问题:二元处理 \( T \in \{0,1\} \),无混淆性(\( Y(0), Y(1) \perp\!\!\!\perp T \mid X \)),一致性和正值性。令 \( \mathcal{H} = L^2(\mathcal{X}, \mathbb{P}_X) \)(所有平方可积函数关于协变量分布)。参数是条件平均处理效应函数(CATE):
经典一步估计:在实值参数情形(如 \( E[Y(1)] \)),一步估计量有一个简单形式:
本文的最小内核:现在把输出空间从实数换成函数空间 \( L^2(\mathcal{X}) \)。如果我们希望估计整个函数 \( \tau(\cdot) \),那么EIF \( \psi(P)(o) \) 必须是一个取值为函数的元(一个元素 \( \psi(P)(o) \in L^2(\mathcal{X}) \))。直觉上,对每个固定的 \( x \),我们可以使用经典的标量影响函数 \( \psi_x(P)(o) = \dots - \tau(x) \),但是我们需要将它看成函数 \( x \mapsto \psi_x(P)(o) \)(即对于不同的 \( x \),影响函数的公式完全相同,但把 \( \tau(x) \) 替换成那个地方的数值)。最简例子中,对每个 \( x \in \mathcal{X} \),令
关键之处:用 \( L^2(\mathcal{X}) \) 作为参数空间时, - 点赋值泛函 \( f \mapsto f(x) \) 不连续(除非权函数限制在RKHS或者加上光滑性条件)。这会导致:上面的逐点EIF公式在密度意义上虽然在每个 \( x \) 点有效,但是作为 \( L^2 \) 中的“元素”,它可能不是定义在参数子空间上的有效线性泛函。作者证明:当参数空间是RKHS时(如带高斯核的再生核希尔伯特空间),点赋值泛函连续,EIF存在且一步估计量以 \( n^{-1/2} \) 速率收敛。当参数空间为 \( L^2 \) 时,对许多参数(包括上例),没有EIF。第二部分的定理特别指出:如果切空间 \( T_P \) 在 \( L^2 \) 内稠密,那么路径导数 \( \dot{\Psi}_P \) 不会通过Riesz表示定理产生EIF。这就是“最小内核”:区别RKHS与非RKHS的核心在于点赋值是否连续,而路径导数的表示定理是否成立直接决定了EIF的存在性。
读者读完这一节,就掌握了核心记号,并理解了本文最本质的发现:当参数空间没有再生核时,路径可微性并不等价于影响函数的存在性——这是一条与有限维情形根本不同的结论。
三、这篇论文做了什么¶
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三句话: ① 问题:如何估计一个取值于希尔伯特空间的参数(例如条件密度、剂量反应函数)并做出采有效性保证?
② 方法:推广交叉拟合单步估计量到希尔伯特值影响函数,分为两类:RKHS参数空间(EIF自然存在,无正则化)和非RKHS参数空间(EIF可能不存在,需正则化)。
③ 结论:在RKHS下,正则化不是必需的,单步估计量以 \( n^{-1/2} \) 速率收敛;在泛希尔伯特空间下,许多参数没有EIF,正则化一步估计仍然可行(但速率可能受限),且基于正则化参数的置信集被给出。 -
关键设定与假设:
- 假设A1(路径可微性):\( \Psi \) 是路径可微的,即存在有界线性算子 \( \dot{\Psi}_P: L^2_0(P) \to \mathcal{H} \) 满足 expansion (2.1) 。作者特别强调,这个定义在经典半参数理论中就是标准。
- 假设A2(初始估计的收敛性):存在一个初估计 \( \hat{P}_n \)(须通过交叉拟合训练,不共用样本)使得 \( \|\Psi(\hat{P}_n) - \Psi(P)\|_{\mathcal{H}} = o_P(1) \) 且某些更高阶交叉项可忽略(参见定理3.1的条件C1-C4)。
- 关键区别假设:对于RKHS情形,作者假设 \( \mathcal{H} \) 是带有连续点赋值泛函的(即RKHS),且参数 \( \Psi \) 的值域落在该RKHS的某个固定子集(连续嵌入)。对于非RKHS情形,不需要这个条件,但必须修改目标参数或接受正则化。
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相比已有文献:对有限维参数,单步估计量的经典假设是EIF存在且可一致估计。本文对RNHS情形的假设与原经典一致;对非RKHS情形的修正(正则化)是一种相对新颖的放宽。
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主要结果:
- 定理3.1(RKHS情形的有效性):在所有条件下,单步估计量 \( \Psi_{n}^{\text{os}} \) 满足
\[\sqrt{n} (\Psi_{n}^{\text{os}} - \Psi(P)) \rightsquigarrow Z \text{ in } \mathcal{H}\]其中 \( Z \) 是均值零、协方差算子为 \( V(P) = E[\psi(P)(O) \otimes \psi(P)(O)] \) 的高斯随机元。且 \( \Psi_{n}^{\text{os}} \) 是半参数有效的(在 \( \mathcal{H} \) 范数下达到卷积定理下界)。直觉上,这一步利用EIF的投影性质将偏差抵消到 \( o_P(n^{-1/2}) \) 量级。
- 定理4.1(非RKHS情形的影响函数不存在性):假设参数空间是 \( L^2(\nu) \)(任意概率测度 \( \nu \) 生成的 Hilbert 空间,无再生核)。如果切空间 \( \mathcal{T}_P \) 在 \( L^2(P) \) 中稠密,且 \( \Psi \) 在该方向导数非平凡,则 存在一个路径相关但无EIF的参数。这个定理让读者明了一个反直觉事实:即使路径可微,EIF可能不存在。
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定理5.1(非RKHS情形的正则化一步估计):对于无法找到EIF的情形,定义带惩罚的一步估计量:
\[\Psi_{n,\lambda}^{\text{reg}} = \operatorname{argmin}_{h \in \mathcal{H}} \left[ \|h - [\Psi(\hat{P}_n) + \frac{1}{n} \sum_i \tilde{\psi}(\hat{P}_n)(O_i)] \|_{\mathcal{H}}^2 + \lambda \operatorname{pen}(h) \right]\]本文证明,在参数光滑性假设下,这个正则化估计算子可给出 \( n^{- \frac{1}{2(1+2\beta)}} \) 之类的速率(其中 \( \beta \) 是光滑性参数),并且可以构造含覆盖概率的置信集。 -
证明路线与技术技巧:
- 整体路线:经典单步证明的支柱是路径展开(pathwise expansion):
\[\Psi(P) = \Psi(\tilde{P}) + \int \psi(\tilde{P})(o) d(P - \tilde{P})(o) + \text{余项}\]在交叉拟合框架下,将这个展开应用于两个独立的样本(分别用于估计微扰与主估计),再将余项分解为低阶项与交叉项,利用收敛速率与熵约束证明余项是 \( o_P(n^{-1/2}) \)。对于RKHS情形,关键不同在于“内积” \( \langle h, \psi(\tilde{P})(o)\rangle_{\mathcal{H}} \) 是标量,路径展开的逐段工作不变。对于非RKHS情形,核心创新是改变目标:从“直接估计Psi(P)”变为“估计Psi(P)在一个正则化算子下的正则化版本”——中心技术是使用平滑截断或核密度截断来强制EIF在某种计算意义下存在。
- 关键跳跃点:最难的部分是 定理4.1的反例构造。作者用了一个精妙的论证:选择一个参数 \( \Psi(P) = \int \varphi(o) dP(o) 1_{\mathcal{(X)}} \) 的形式,其中 \( \varphi \in L^2(P) \) 但 \( \varphi \notin L^2(\nu) \)(当 \( \nu \) 是勒贝格测度时)。然后利用切空间稠密性论证:根据Hahn-Banach定理,从路径导数到点赋值的扩展不存在——这是一个典型的泛函分析论证跳到Hilbert空间几何。统计学家可能不常用这种纯泛函分析技巧,但作者用一个简单例子(二值X,常函数切空间稠密)生动说明。
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技术技巧点名:
- 路径展开(pathwise expansion):整个方法的核心,连接无限维与有限维参数估计。
- 交叉拟合(cross-fitting):用样本分割避免类Donsker条件;在定理证明中用双重下标样本。
- 再生核技巧:在RKHS情形用核函数 \( K(x,x') \) 表示EIF的存在性,利用了Riesz表示定理。
- 平滑截断(smoothing/truncation):对非RKHS情形构造正则化影响函数,使用特征分解与截断。
- 熵条件(entropy condition):控制估计量余项中的高阶随机项,用的是经典超立方体熵估计算法。
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真实例子与应用: 本文为四例因果推断参数提供了具体估计量与置信集构造(无真实数据,但包含模拟验证的起点)。这里例举课文明确给出的一个: ① 反事实密度函数:在无混淆性下,估计 \( f_{Y(1)} \),即处理组的反事实边际密度。参数空间取某个RKHS(如高斯核下的\( L^2 \)上的嵌入)。作者给出EIF公式:\( \psi(P)(o)(y) = \frac{t}{\pi(x)} (K_h(y, Y)-f_{\text{est}}(y)) + f_{\text{est}}(y) - S \) 类似结构,以及一步估计量。论文未用真实数据,但提供了数学推导。 ② 剂量反应函数(连续处理):\( \Psi(P)(t) = E[Y(t)] \),其中T为连续,无混淆性成立。参数空间取RKHS时(\( t \)的L²空间带平滑核),EIF直接用Riesz表示写出,一步估计量可行。
- cate函数:上面最小内核中的例子被完整展开。
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反事实核均值嵌入:将分布 \( P_{Y(1)} \) 通过核嵌入到RKHS,然后估计这个嵌入。EIF直接由线性襎代项的公式给出,可用本文框架统一处理。 所有例子都是为了验证框架的广泛性,并展示在RKHS下的EIF公式简洁明确。作者未展示任何模拟结果。—— 本文为纯理论 / 无实证例子。
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🔎 结论是否比证明窄:
- 定理4.1声称“许多路径可微参数没有有效影响函数”,但是细看证明:它依赖“切空间在L²中稠密”这一条件。作者在第4节末尾承认“有些但非所有参数会失败”,结论的适用范围严格受限于稠密性假设——真实的因果推断模型中,切空间可能是有限维的(如忽略某些特征),那么EIF可能反而存在。结论范围被证明限定在非参数稠密情形,而作者在正文中偏向“大多数有趣案例”的说法略宽。
- 正则化一步估计量在定理5.1中给出的速率是 \( n^{-\frac{1}{2(1+2\beta)}} \),依赖一个特定的光滑性参数β,而这个β难以从数据中稳定估计——作者未讨论“自适应”(adaptive)选择正则化参数以保证速率最优性的问题。这实际上把实践中的困难留给了用户。
四、开放问题(点到为止,扎根具体语句)¶
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非RKHS空间的正则化能否达到根号n速率?
第5节的定理5.1给出了依赖于光滑性参数β的速率。是否存在不依赖于β且达到 \( n^{-1/2} \) 的一族参数?是否可以引用“非参数有效自适应估计量”来摆脱β?扎根于 theorem 5.1 的陈述“the rate is \( n^{-1/(2(1+2\beta))} \),which is slower than \( n^{-1/2} \) for any \( \beta \)”。 -
当切空间在L²中不稠密时(如模型是半参数的),本文的反例还成立吗?
定理4.1的研证明用到了“\( T_P \) 是 \( L^2(P) \) 的稠密子空间”这一条件。许多半参数模型中的切空间是有限维(或无限维但不稠密)。此时EIF是否存在?作者没有充分讨论。扎根于定理4.1的证明以及 4.2 节的讨论,其中提到“if the tangent space is dense”。 -
RGHS 是否必须选择特定的核才能保证初始估计的收敛率?**
作者假设初始估计对 \( \Psi \) 收敛(在RKHS范数下),但未给出内核如何影响实际收敛的充分必要条件。在剂量反应函数例中,核的带宽选择对收敛速度与估计的偏差有直接影响。扎根于第三节定理3.1的条件C1,其中说“\( \|\Psi(\hat{P}_n) - \Psi(P)\|_{\mathcal{H}} = o_P(1) \)”,但未进一步阐明如何选择核以保证这个收敛条件对深度学习等复杂估计器也成立。 -
多维度大输出空间(如H versus infinite-dimensional tensor space)的推广?
论文只处理单个希尔伯特空间。对于多参数联合估计(如同时估计处理组与对照组的密度函数,其联合属于乘积空间),领域层面的EIF计算与单步估计量会如何?这与研究者自己的“高阶U统计量/张量网络”兴趣可能有读透的连接——但作者从未提及,显然是一个开放问题。扎根于论文副标题“Hilbert-valued parameters”与第一句“We present estimators for smooth Hilbert-valued parameters”,即本文只对单一Hilbert空间进行讨论。
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