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截断奇异值分解在一般高秩矩阵估计问题中的效力

机器学习 2017-11-07 v2 机器学习 数值分析

摘要

我们证明,给定一个在谱范数下接近一般高秩半正定矩阵 A 的估计 A^\widehat{A}(即 A^A2δ\|\widehat{A}-A\|_2 \leq \delta),对 A^\widehat{A} 进行简单的截断奇异值分解(SVD)即可在 Frobenius 范数下产生对 A 的乘法近似。这一观察引出了关于一般高秩矩阵估计问题的许多有趣结果,我们简要总结如下(A 为 n×n 高秩半正定矩阵,A_k 为 A 的最佳秩-k 近似):(1) 高秩矩阵补全:通过观测 A 的 Ω(nmax{ϵ4,k2}μ02AF2lognσk+1(A)2)\Omega(\frac{n\max\{\epsilon^{-4},k^2\}\mu_0^2\|A\|_F^2\log n}{\sigma_{k+1}(A)^2}) 个元素,其中 σk+1(A)\sigma_{k+1}\left(A\right) 为 A 的第 (k+1) 个奇异值,μ0\mu_0 为非相干性参数,对零填充矩阵进行截断 SVD 能以高概率满足 A^kAF(1+O(ϵ))AAkF\|\widehat{A}_k-A\|_F \leq (1+O(\epsilon))\|A-A_k\|_F。(2) 高秩矩阵去噪:令 A^=A+E\widehat{A}=A+E,其中 E 为每个元素具有零均值和 ν2/n\nu^2/n 方差的高斯随机噪声矩阵。则对 A^\widehat{A} 的截断 SVD 满足 A^kAF(1+O(ν/σk+1(A)))AAkF+O(kν)\|\widehat{A}_k-A\|_F \leq (1+O(\sqrt{\nu/\sigma_{k+1}(A)}))\|A-A_k\|_F + O(\sqrt{k}\nu)。(3) 高维协方差低秩估计:给定 N 个独立同分布样本 X1,,XNNn(0,A)X_1,\cdots,X_N\sim\mathcal N_n(0,A),我们能否以相对误差 Frobenius 范数界估计 A?我们证明,若 N=Ω(nmax{ϵ4,k2}γk(A)2logN)N = \Omega\left(n\max\{\epsilon^{-4},k^2\}\gamma_k(A)^2\log N\right),其中 γk(A)=σ1(A)/σk+1(A)\gamma_k(A)=\sigma_1(A)/\sigma_{k+1}(A),则 A^kAF(1+O(ϵ))AAkF\|\widehat{A}_k-A\|_F \leq (1+O(\epsilon))\|A-A_k\|_F 以高概率成立,这里 A^=1Ni=1NXiXi\widehat{A}=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^N{X_iX_i^\top} 为样本协方差。

关键词

引用

@article{arxiv.1702.06861,
  title  = {On the Power of Truncated SVD for General High-rank Matrix Estimation Problems},
  author = {Simon S. Du and Yining Wang and Aarti Singh},
  journal= {arXiv preprint arXiv:1702.06861},
  year   = {2017}
}

备注

Accepted by NIPS 2017. Add gap-dependent bounds