Восполнение матриц с дополнительной информацией: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
| (не показано 7 промежуточных версий этого же участника) | |||
| Строка 12: | Строка 12: | ||
=== Общее описание алгоритма === | === Общее описание алгоритма === | ||
Пусть <math>X \in \mathbb{R}^{n_1 \times n_2} - </math> неизвестная малоранговая матрица. Нашей целью является восполнение матрицы <math>X</math>, то есть нахождение всех её элементов, по некоторому малому набору и дополнительной информации. Под дополнительной информацией понимаются линейные пространства <math>L_A</math> и <math>L_B</math>, содержащие столбцы и строки матрицы <math>X</math> соответственно. Если <math>L_A</math> и <math>L_B</math> тривиальные (то есть совпадают с <math>\mathbb{R}^{n_1}</math> и <math>\mathbb{R}^{n_2}</math>), то задача сводиться к задаче обычного восполнения матриц. | Пусть <math>X \in \mathbb{R}^{n_1 \times n_2} - </math> неизвестная малоранговая матрица. Нашей целью является восполнение матрицы <math>X</math>, то есть нахождение всех её элементов, по некоторому малому их набору и дополнительной информации. Под дополнительной информацией понимаются линейные пространства <math>L_A</math> и <math>L_B</math>, содержащие столбцы и строки матрицы <math>X</math> соответственно. Если <math>L_A</math> и <math>L_B</math> тривиальные (то есть совпадают с <math>\mathbb{R}^{n_1}</math> и <math>\mathbb{R}^{n_2}</math>), то задача сводиться к задаче обычного восполнения матриц. | ||
Для решения этой задачи применяется итеративный метод SVPWS, который является глубокой модификацией метода SVP. На каждой итерации мы будем делать градиентный шаг и проектироваться обратно на множество матриц малого ранга (с помощью SVD), получая тем самым очередное приближение к исходной неизвестной матрице <math>X</math>. | Для решения этой задачи применяется итеративный метод SVPWS, который является глубокой модификацией метода SVP. На каждой итерации мы будем делать градиентный шаг и проектироваться обратно на множество матриц малого ранга (с помощью SVD), получая тем самым очередное приближение к исходной неизвестной матрице <math>X</math>. | ||
=== Математическое описание алгоритма === | === Математическое описание алгоритма === | ||
Нам известно, что <math>Im(X) \subset L_A, \ Im(X^T) \subset L_B </math>. Пусть <math>dim(L_A) = s_1, \ dim (L_B) = s_2</math> | Нам известно, что <math>Im(X) \subset L_A, \ Im(X^T) \subset L_B </math>. Пусть <math>dim(L_A) = s_1, \ dim (L_B) = s_2</math>, тогда <math>A \in \mathbb{R}^{n_1 \times s_1}</math> и <math>B \in \mathbb{R}^{n_2 \times s_2}</math> <math>-</math> ортонормированные матрицы базисов этих пространств, соответственно. Для матрицы <math>X</math> существует представление: <math>X = AZB^T, Z \in \mathbb{R}^{s_1 \times s_2}</math>. Матрицы <math>X</math> и <math>Z</math> имеют взаимно однозначное соответствие, а матрица <math>Z</math> имеет существенно меньшие размеры, поэтому мы будет решать некоторую оптимизационную задачу для неё: | ||
<tr> | <table style="width:100%"> | ||
<td align="center" width="90%"><math>\min_{Z} f(Z) = \frac{1}{2} ||\mathcal{P}_{\Omega}(AZB^T - X)||^2_2, \; \; rank(Z) \leq r\</math></td> | <tr> | ||
</tr> | <td align="center" width="90%"><math>\min_{Z} f(Z) = \frac{1}{2} ||\mathcal{P}_{\Omega}(AZB^T - X)||^2_2, \; \; rank(Z) \leq r, \text{ где } </math></td> | ||
</tr> | |||
</table> | |||
<math>\Omega \subset [n_1] \times [n_2] - </math> множество известных нам индексов, а <math>\mathcal{P}_{\Omega}(X) = 1[(i, j) \in \Omega] \circ X</math> - проектор на это множество. | |||
Пусть решением этой задачи является матрица <math>\tilde Z</math>. Тогда построим матрицу <math>\tilde X = A \tilde ZB^T</math>. Матрица <math>\tilde X</math> и будем задачи матричного восполнения. Минимизировать этот функционал будем с помощью алгоритма SVP с оператором <math>\mathcal{A}(Z) = \mathcal{P}_\Omega(AZB^T)</math>. | |||
<table style="width:100%"> | |||
<tr> | |||
<td align="center" width="90%"><math>Z_{t+1} = \mathcal{P}_r(Z_{t} - \eta_t \nabla f(Z_{t})) = \mathcal{P}_r(Z_{t} - \eta_t \mathcal{A^*}(\mathcal{A}(Z_{t}) - b)), </math></td> | |||
</tr> | |||
</table> | |||
где <math>\mathcal{P}_r - </math> проектор на множество матриц ранга не выше <math>r</math> (SVD). | |||
Найдя формулу сопряженного оператора: <math>\mathcal{A^*}(X) = A^T \, \mathcal{P}_{\Omega}(X)B </math> получим алгоритм: | |||
<table style="width:100%"> | |||
<tr> | |||
<td align="center" width="90%"><math>Z_{t+1} = \mathcal{P}_r[Z_{t} - \eta_t A^T\mathcal{P}_{\Omega}(AZ_tB^T - X)B] </math></td> | |||
</tr> | |||
</table> | |||
=== Макроструктура алгоритма === | === Макроструктура алгоритма === | ||
| Строка 72: | Строка 90: | ||
[1] Guaranteed Rank Minimization via Singular Value Projection.Raghu Meka, Prateek Jain, Inderjit S. Dhillon // arXiv:0909.5457 | [1] Guaranteed Rank Minimization via Singular Value Projection.Raghu Meka, Prateek Jain, Inderjit S. Dhillon // arXiv:0909.5457 | ||
[2] | [2] Speedup Matrix Completion with Side Information: Application to Multi-Label Learning. M Xu, R Jin, ZH Zhou | ||
[[en:Matrix completion]] | [[en:Matrix completion]] | ||
[[Категория: | [[Категория:Восполнение матриц]] | ||
Текущая версия от 20:36, 26 октября 2021
| Восстановление матриц | |
| Последовательный алгоритм | |
| Последовательная сложность | $O(n^3)$ |
| Объём входных данных | [math]\displaystyle{ \frac{n (n + 1)}{2} }[/math] |
| Объём выходных данных | [math]\displaystyle{ \frac{n (n + 1)}{2} }[/math] |
| Параллельный алгоритм | |
| Высота ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(n) }[/math] |
| Ширина ярусно-параллельной формы | [math]\displaystyle{ O(n^2) }[/math] |
Свойства и структура алгоритма
Общее описание алгоритма
Пусть [math]\displaystyle{ X \in \mathbb{R}^{n_1 \times n_2} - }[/math] неизвестная малоранговая матрица. Нашей целью является восполнение матрицы [math]\displaystyle{ X }[/math], то есть нахождение всех её элементов, по некоторому малому их набору и дополнительной информации. Под дополнительной информацией понимаются линейные пространства [math]\displaystyle{ L_A }[/math] и [math]\displaystyle{ L_B }[/math], содержащие столбцы и строки матрицы [math]\displaystyle{ X }[/math] соответственно. Если [math]\displaystyle{ L_A }[/math] и [math]\displaystyle{ L_B }[/math] тривиальные (то есть совпадают с [math]\displaystyle{ \mathbb{R}^{n_1} }[/math] и [math]\displaystyle{ \mathbb{R}^{n_2} }[/math]), то задача сводиться к задаче обычного восполнения матриц.
Для решения этой задачи применяется итеративный метод SVPWS, который является глубокой модификацией метода SVP. На каждой итерации мы будем делать градиентный шаг и проектироваться обратно на множество матриц малого ранга (с помощью SVD), получая тем самым очередное приближение к исходной неизвестной матрице [math]\displaystyle{ X }[/math].
Математическое описание алгоритма
Нам известно, что [math]\displaystyle{ Im(X) \subset L_A, \ Im(X^T) \subset L_B }[/math]. Пусть [math]\displaystyle{ dim(L_A) = s_1, \ dim (L_B) = s_2 }[/math], тогда [math]\displaystyle{ A \in \mathbb{R}^{n_1 \times s_1} }[/math] и [math]\displaystyle{ B \in \mathbb{R}^{n_2 \times s_2} }[/math] [math]\displaystyle{ - }[/math] ортонормированные матрицы базисов этих пространств, соответственно. Для матрицы [math]\displaystyle{ X }[/math] существует представление: [math]\displaystyle{ X = AZB^T, Z \in \mathbb{R}^{s_1 \times s_2} }[/math]. Матрицы [math]\displaystyle{ X }[/math] и [math]\displaystyle{ Z }[/math] имеют взаимно однозначное соответствие, а матрица [math]\displaystyle{ Z }[/math] имеет существенно меньшие размеры, поэтому мы будет решать некоторую оптимизационную задачу для неё:
| [math]\displaystyle{ \min_{Z} f(Z) = \frac{1}{2} ||\mathcal{P}_{\Omega}(AZB^T - X)||^2_2, \; \; rank(Z) \leq r, \text{ где } }[/math] |
[math]\displaystyle{ \Omega \subset [n_1] \times [n_2] - }[/math] множество известных нам индексов, а [math]\displaystyle{ \mathcal{P}_{\Omega}(X) = 1[(i, j) \in \Omega] \circ X }[/math] - проектор на это множество.
Пусть решением этой задачи является матрица [math]\displaystyle{ \tilde Z }[/math]. Тогда построим матрицу [math]\displaystyle{ \tilde X = A \tilde ZB^T }[/math]. Матрица [math]\displaystyle{ \tilde X }[/math] и будем задачи матричного восполнения. Минимизировать этот функционал будем с помощью алгоритма SVP с оператором [math]\displaystyle{ \mathcal{A}(Z) = \mathcal{P}_\Omega(AZB^T) }[/math].
| [math]\displaystyle{ Z_{t+1} = \mathcal{P}_r(Z_{t} - \eta_t \nabla f(Z_{t})) = \mathcal{P}_r(Z_{t} - \eta_t \mathcal{A^*}(\mathcal{A}(Z_{t}) - b)), }[/math] |
где [math]\displaystyle{ \mathcal{P}_r - }[/math] проектор на множество матриц ранга не выше [math]\displaystyle{ r }[/math] (SVD).
Найдя формулу сопряженного оператора: [math]\displaystyle{ \mathcal{A^*}(X) = A^T \, \mathcal{P}_{\Omega}(X)B }[/math] получим алгоритм:
| [math]\displaystyle{ Z_{t+1} = \mathcal{P}_r[Z_{t} - \eta_t A^T\mathcal{P}_{\Omega}(AZ_tB^T - X)B] }[/math] |
Макроструктура алгоритма
Схема реализации последовательного алгоритма
Последовательная сложность алгоритма
Информационный граф
Ресурс параллелизма алгоритма
Входные и выходные данные алгоритма
Свойства алгоритма
Программная реализация алгоритма
Особенности реализации последовательного алгоритма
Локальность данных и вычислений
Локальность реализации алгоритма
Структура обращений в память и качественная оценка локальности
Количественная оценка локальности
Возможные способы и особенности параллельной реализации алгоритма
Масштабируемость алгоритма и его реализации
Масштабируемость алгоритма
Масштабируемость реализации алгоритма
Динамические характеристики и эффективность реализации алгоритма
Выводы для классов архитектур
Существующие реализации алгоритма
Литература
[1] Guaranteed Rank Minimization via Singular Value Projection.Raghu Meka, Prateek Jain, Inderjit S. Dhillon // arXiv:0909.5457
[2] Speedup Matrix Completion with Side Information: Application to Multi-Label Learning. M Xu, R Jin, ZH Zhou