This paper studies the problem of learning Bayesian networks from continuous observational data, generated according to a linear Gaussian structural equation model. We consider an $\ell_0$-penalized maximum likelihood estimator for this problem which is known to have favorable statistical properties but is computationally challenging to solve, especially for medium-sized Bayesian networks. We propose a new coordinate descent algorithm to approximate this estimator and prove several remarkable properties of our procedure: the algorithm converges to a coordinate-wise minimum, and despite the non-convexity of the loss function, as the sample size tends to infinity, the objective value of the coordinate descent solution converges to the optimal objective value of the $\ell_0$-penalized maximum likelihood estimator. Finite-sample statistical consistency guarantees are also established. To the best of our knowledge, our proposal is the first coordinate descent procedure endowed with optimality and statistical guarantees in the context of learning Bayesian networks. Numerical experiments on synthetic and real data demonstrate that our coordinate descent method can obtain near-optimal solutions while being scalable.


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坐标下降法(coordinate descent)是一种非梯度优化算法。算法在每次迭代中,在当前点处沿一个坐标方向进行一维搜索以求得一个函数的局部极小值。在整个过程中循环使用不同的坐标方向。对于不可拆分的函数而言,算法可能无法在较小的迭代步数中求得最优解。为了加速收敛,可以采用一个适当的坐标系,例如通过主成分分析获得一个坐标间尽可能不相互关联的新坐标系.
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