# Statistics

## Program Description

Statistics is concerned with the development and use of mathematical and computational methods for the collection, analysis, and interpretation of data in support of scientific inquiry, informed decision-making, and risk management. It calls on a broad range of tools from probability theory to computer-intensive techniques. The main areas of research by statisticians in the ISM network include

• Bayesian inference and Markov chain Monte Carlo methods
• causal inference
• computational statistics
• dependence modeling and multivariate analysis
• directional statistics
• empirical process theory
• extreme-value analysis
• high-dimensional data modeling
• machine learning
• nonparametric statistics
• statistical learning
• survey sampling
• survival analysis
• time series

Statistical research is largely motivated by collaboration with other disciplines. It finds applications in many fields, including biology, environmental science, finance and insurance, health sciences, hydrology, market research, and social sciences. With the abundance of very large and complex data sets coming, for example, from the social media and digital processes, financial transactions, astronomy, genomics, meteorology or Big Science like the Giant Hadron Collide, the statistical treatment and analysis of Big Data has become a major challenge of modern statistics.

## Program Members

The statistics program gives an opportunity to graduate students to study in these two major areas of modern statistics. The curriculum allows the students to get well acquainted with the basic elements of mathematical statistics, decision theory and applied statistics. Furthermore, advanced graduate courses can be offered in some more specialized areas.

This program welcomes graduate students with a good background in calculus, mathematical statistics, numerical analysis, and probability (all at the undergraduate level). To get strong training in decision theory and mathematical statistics students should take the basic course in measure and integration (for PhD students) and at least three courses at the intermediate and advanced levels.

## 2024-25 Course Listings

### Statistical Inference 1

This course is an introduction to statistical inference for parametric models. The following topics will be covered:
1. Distribution of functions of several random variables (distribution function and change of variable techniques), sampling distribution of mean and variance of a sample from Normal distribution.
2. Distribution of order statistics and sample quantiles.
3. Estimation: unbiasedness, Cramér-Rao lower bound and efficiency, method of moments and maximum likelihood estimation, consistency, limiting distributions, delta-method.
4. Sufficiency, minimal sufficiency, completeness, UMVUE, Rao-Blackwell and Lehman-Scheffe theorems.
5. Hypothesis-testing: likelihood-ratio tests.
6. Elements of Bayesian estimation and hypothesis-testing.

Text: Introduction to Mathematical Statistics (6th, 7th or 8th Edition), by R.V. Hogg and A.T. Craig, Prentice Hall Inc., 1994. Recommended reading: (for problems, examples etc) Statistical Inference (2nd Edition), by G. Casella and R. L. Berger, Duxbury, 2002. Evaluation: Assignments (4), Midterm exam, Final exam.

### Mathematics of Data Science

This course introduces the mathematical foundations of data science. Topics covered tentatively include machine learning basics, rudiments of statistical learning theory, optimal recovery, compressive sensing, elements of optimization theory and deep learning. Although the course will focus on theoretical aspects, it will also include computational illustrations. We will primarily follow the book "Mathematical Pictures at a Data Science Exhibition" by S. Foucart (Cambridge University Press, 2022). The course will include a final individual research project.

### Multivariate Statistics

This course introduces multivariate statistical analysis, both theory and methods, with focus on the multivariate Normal distribution. It can be seen as a preparatory course, although not a formal prerequisite, for Statistical Learning. Topics covered include:

• Matrix Algebra & Random Vector
• The Multivariate Normal Distribution
• Inferences about a Mean Vector
• Comparisons of Several Multivariate Means
• Principal Components
• Factor Analysis and Inference for structured covariance matrices (time permitting)
• Canonical Correlation Analysis (time permitting)
• Discrimination and Classification

Text: Applied Multivariate Statistical Analysis, 6th Edition, by R. A. Johnson and D. W. Wichern, Pearson Prentice Hall (2007).

Recommended reading: Linear Statistical Inference and Its Applications, 2nd Edition, by C. R. Rao, Wiley (1973).

Evaluation: Assignments (4), Midterm exam, Final exam

### Nonparametric Statistics

Distribution free procedures for 2-sample problem: Wilcoxon rank sum, Siegel-Tukey, Smirnov tests. Shift model: power and estimation. Single sample procedures: Sign, Wilcoxon signed rank tests. Nonparametric ANOVA: Kruskal-Wallis, Friedman tests. Association: Spearman's rank correlation, Kendall's tau. Goodness of fit: Pearson's chi-square, likelihood ratio, Kolmogorov-Smirnov tests. Statistical software packages used.

### Regression and Analysis of Variance

Multivariate normal and chi-squared distributions; quadratic forms. Multiple linear regression estimators and their properties. General linear hypothesis tests. Prediction and confidence intervals. Asymptotic properties of least squares estimators. Weighted least squares. Variable selection and regularization. Selected advanced topics in regression. Applications to experimental and observational data.

### Mathematical Statistics I

Distribution theory, stochastic models and multivariate transformations. Families of distributions including location-scale families, exponential families, convolution families, exponential dispersion models and hierarchical models. Concentration inequalities. Characteristic functions. Convergence in probability, almost surely, in Lp and in distribution. Laws of large numbers and Central Limit Theorem. Stochastic simulation.

### Topics in Probability and Statistics / Advanced Topics in Statistics 1: Extreme-Value Theory

Rare events such as extreme weather phenomena, large insurance claims and financial crashes are of prime concern for society. The aim of this course is to introduce the mathematical and statistical modeling of extremal events.

• Part I: Classical univariate extreme-value theory. Maximal domain of attraction, convergence to types theorem and limits of block maxima (The Fisher--Tippett Theorem), threshold exceedances (The Pickands--Balkema--de Haan Theorem), regular variation. The point process approach.
• Part II: Statistical tools for the estimation of high quantiles and return levels. Likelihood inference, Hill estimation, threshold selection and bias reduction techniques.
• Part III: Modeling multivariate extremes. Exponent and spectral measures, multivariate regular variation, extreme-value copulas. Estimation of the Pickands dependence function. Modeling of spatial extremes if time permits.

### Computation Intensive Statistics

General introduction to computational methods in statistics; optimization methods; EM algorithm; random number generation and simulations; bootstrap, jackknife, cross-validation, resampling and permutation; Monte Carlo methods: Markov chain Monte Carlo and sequential Monte Carlo; computation in the R language.

### Statistical Inference

Conditional probability and Bayes’ Theorem, discrete and continuous univariate and multivariate distributions, conditional distributions, moments, independence of random variables. Modes of convergence, weak law of large numbers, central limit theorem. Point and interval estimation. Likelihood inference. Bayesian estimation and inference. Hypothesis testing.

### Survival Analysis

Parametric survival models. Nonparametric analysis: Kaplan-Meier estimator and its properties. Covariates with emphasis on Cox's proportional hazards model. Marginal and partial likelihood. Logrank tests. Residual analysis. Homework assignments a mixture of theory and applications. In-class discussion of data tests.

### Méthodes de rééchantillonnage

Étude du « bootstrap ». Estimation du biais et de l'écart-type. Intervalles de confiance et tests. Applications diverses, incluant la régression et les données dépendantes. Étude du « jackknife », de la validation croisée et du sous-échantillonnage.

### Méthodes asymptotiques

Notions de probabilités. Comportement asymptotique des moments et quantiles échantillonnaux. Normalité asymptotique de transformation; stabilisation de la variance. Loi asymptotique du test du khi-deux. Théorie asymptotique en inférence paramétrique.

### Données catégorielles

Tableaux de contingence. Mesures d'association. Risque relatif et rapport de cote. Tests exacts et asymptotiques. Régression logistique, de Poisson. Modèles log-linéaires. Tableaux de contingence à plusieurs dimensions. Méthodes non paramétriques.

### Séries chronologiques univariées

Techniques descriptives. Processus stationnaires. Meilleure prévision linéaire. Modèles ARMA, ARIMA et modèles saisonniers. Estimation et prévision dans les ARMA. Éléments d’analyse spectrale. Modèles ARCH et GARCH.

### Séries chronologiques - Sherbrooke

Processus stochastiques (généralités). Description et caractéristiques des séries chronologiques. Transformées de Fourier. Analyse statistique des séries chronologiques. Analyse spectrale des processus linéaires. Lissage des estimateurs spectraux.

### Théorie de la décision (Sherbrooke)

Concepts de base d'un problème de décision statistique et d'analyse bayésienne. Lois apriori et aposteriori. Fonctions de coût. Règles aléatoires, règles de Bayes, règles minimax et maximin. Notions d'admissibilité et de dominance. Exhaustivité. Règles de décision invariantes. Sujets choisis parmi l'estimation de Stein, l'estimation sous contraintes, l'estimation par intervalles et les tests d'hypothèses.

### Inférence statistique I

Espérance conditionnelle. Prédiction. Modèles statistiques, familles exponentielles, exhaustivité. Méthodes d'estimation: maximum de vraisemblance, moindres carrés etc. Optimalité: estimateurs sans biais à variance minimum, inégalité de l'information. Propriétés asymptotiques des estimateurs. Intervalles de confiance et précision. Éléments de base de la théorie des tests. Probabilité critique, puissance en relation avec la taille d'échantillon. Relation entre tests et intervalles de confiance. Tests pour des données discrètes.

### Analyse statistique multivariée

Étude des distributions échantillonnales classiques: T2 de Hotelling; loi de Wishart; distribution des valeurs et des vecteurs propres; distribution des coefficients de corrélation. Analyse de variance multivariée. Test d'indépendance de plusieurs sous-vecteurs. Test de l'égalité de matrices de covariance. Sujets spéciaux.

### Principes de simulation

Nombre aléatoire. Simulation de lois classiques. Méthodes d'inversion et de rejet. Algorithmes spécifiques. Simulation des chaines de Markov à temps discret et continu. Solution numérique des équations différentielles ordinaires et stochastiques. Méthode numérique d'Euler et de Runge-Kutta. Formule de Feynman-Kac. Discrétisation. Approximation faible et forte, explicite et implicite. Réduction de la variance. Analyse des données simulées. Sujets spéciaux.

### Modélisation statistique de la dépendance stochastique

Rappel sur les principales notions de statistique mathématique et sur la statistique asymptotique. Introduction à la théorie des copules. Description des modèles de dépendance bidimensionnels et multidimensionnels les plus populaires et exploration exhaustive des propriétés de ces copules. Inférence statistique dans les modèles de copules : estimation de paramètres, copule empirique, tests d'adéquation et tests d'hypothèses composites. La méthode delta fonctionnelle et ses nombreuses applications, notamment en inférence de copules. Survol des avancées récentes, incluant les tests de rupture, l'étude de la dépendance conditionnelle, la modélisation de la dépendance spatiale et l'utilisation de la fonction caractéristique. Les objectifs spécifiques de ce cours sont : de maîtriser la théorie des copules, de connaître les principales méthodes d'inférence concernant les copules, d'être au fait des principaux développements récents, de bien connaître la littérature sur les copules, d'être capable de mettre en oeuvre les méthodes statistiques avec le logiciel Matlab (estimation de la puissance de tests, analyse de jeux de données).

### Time Series

Statistical analysis of time series in the time domain. Moving average and exponential smoothing methods to forecast seasonal and non-seasonal time series, construction of prediction intervals for future observations, Box-Jenkins ARIMA models and their applications to forecasting seasonal and non-seasonal time series. A substantial portion of the course will involve computer analysis of time series using computer packages (mainly MINITAB). No prior computer knowledge is required.

### Statistical Learning

This course is an introduction to statistical learning techniques. Some applications to data science will be illustrated. Topics covered include: cross-validation, regression methods (linear and non-linear models: GLMs, GAMs; variable selection methods; shrinkage methods: ridge regression and LASSO), classification methods (K-nearest neighbors, linear and quadratic discriminants, logistic regression, support vector machines), tree-based methods, introduction to neural networks, unsupervised learning, (clustering: K-means, hierarchical clustering; principal component analysis).

### Reinforcement Learning

This course is an introduction to reinforcement learning techniques. It requires extensive programming with the R language. Topics covered include: Multi-armed bandit problem, Markov Decision Problems, Dynamic Programming, Monte-Carlo solution methods, Temporal difference methods, Multi-period Approximation methods, Policy gradient.

### Generalized Linear Models

Exponential families, link functions. Inference and parameter estimation for generalized linear models; model selection using analysis of deviance. Residuals. Contingency table analysis, logistic regression, multinomial regression, Poisson regression, log-linear models. Multinomial models. Overdispersion and Quasilikelihood. Applications to experimental and observational data.

### Sampling Theory and Applications

Simple random sampling, domains, ratio and regression estimators, superpopulation models, stratified sampling, optimal stratification, cluster sampling, sampling with unequal probabilities, multistage sampling, complex surveys, nonresponse.

### Introduction to Time Series Analysis

Stationary processes; estimation and forecasting of ARMA models; non-stationary and seasonal models; state-space models; financial time series models; multivariate time series models; introduction to spectral analysis; long memory models.

### Mathematical Statistics 2

Sampling theory (including large-sample theory). Likelihood functions and information matrices. Hypothesis testing, estimation theory. Regression and correlation theory.

### Design of Experiments (McGill)

Introduction to concepts in statistically designed experiments. Randomization and replication. Completely randomized designs. Simple linear model and analysis of variance. Introduction to blocking. Orthogonal block designs. Models and analysis for block designs. Factorial designs and their analysis. Row-column designs. Latin squares. Model and analysis for fixed row and column effects. Split-plot designs, model and analysis. Relations and operations on factors. Orthogonal factors. Orthogonal decomposition. Orthogonal plot structures. Hasse diagrams. Applications to real data and ethical issues.

### Méthodes de statistique bayésienne (cours enseigné en anglais)

Principes de l’analyse bayésienne; loi à priori et à postériori, inférence statistique et théorie de la décision. Méthodes computationnelles; méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov. Applications.

### Analyse de la variance

Rappels et compléments sur la théorie du modèle linéaire : moindres carrés, théorèmes de Gauss-Markov et de Cochran, inférence. Modèle à effets fixes et aléatoires. Plan incomplet. Plan à mesures répétées.

### Inférence statistique

Principes d'inférence : estimation ponctuelle, distribution des estimateurs, test d’hypothèse, région de confiance. Approche bayésienne. Méthodes de rééchantillonnage. Estimation non paramétrique. Applications modernes de la statistique.

### Analyse des données

Analyse en composantes principales. Analyse des corrélations canoniques et régression multidimensionnelle. Analyse des correspondances. Discrimination. Classification. Analyse factorielle d'opérateurs.

### Probabilités - Université de Sherbrooke

Théorie des probabilités. Théorie abstraite de l'intégration. Mesures de Borel, Espaces Lp. Théorème de Radon-Nikodym. Intégration sur les espaces produits et le théorème de Fubini. Espérances conditionnelles.

### Modèles de régression

Théorie des modèles linéaires généraux. Théorie des modèles linéaires généralisés. Régression logistique. Modèles log-linéaires.

### Statistiques avancées en sciences de la vie (Cours intensif d'une semaine - été 2024)

Cibles de formation
Objectif général :
Développer les connaissances statistiques nécessaires pour pouvoir construire des modèles statistiques adaptés à répondre à une problématique précise.

Objectif spécifique :
– Apprendre la théorie statistique pour mieux construire, appliquer et interpréter différents modèles statistiques appliqués aux sciences de la vie.
– Devenir familier avec la recherche primaire en modélisation statistique pour les sciences de la vie.
– Gagner de l’expérience à travailler de façon collaborative sur des problématiques liées au développement et à l’application de méthodes statistiques.

Contenu
Modélisation linéaire et nonlinéaire, modélisation de données univariables et multivariables complexes en sciences de la vie. Implémentation de modèles statistiques.

### Calcul stochastique (été)

Martingales en temps discret et continu, filtrations en temps discret et continu, temps d’arrêt, théorème d’arrêt de Doob, processus de variation quadratique, processus de Wiener, intégrale d’Itô, lemme d’Itô, changement de mesure, théorème de Girsanov.