FAST LOW-RANK APPROXIMATION FOR COVARIANCE MATRICES

目录

• Nystorm method
• 低秩逼近
  • 矩阵乘法的逼近

Belabbas M A, Wolfe P J. Fast Low-Rank Approximation for Covariance Matrices[C]. IEEE International Workshop on Computational Advances in Multi-Sensor Adaptive Processing, 2007: 293-296.

Nystorm method

和在WIKI看到的不是同一个东西？

假设\(G \in \mathbb{R}^{n \times n}\)为对称正定矩阵。
\[
G =
\left [ \begin{array}{ll}
A & B^T \\
B & C
\end{array} \right ]
\]
其中\(A \in \mathbb{R}^{k \times k}, k<n\)。
假设\(G = U \Lambda U^T\),\(A = U_A \Lambda_A U_A^T\),令
\[
\widetilde{U} =
\left [ \begin{array}{c}
U_A \\
BU_A \Lambda_A^{-1}
\end{array} \right ]
\]
则：
\[
\widetilde{G} := \widetilde{U} \Lambda_A \widetilde{U}^T =
\left [ \begin{array}{ll}
A & B^T \\
B & BA^{-1}B^T
\end{array} \right ]
\]
易得：
\[
\|G - \widetilde{G}\| = \|C-BA^{-1}B^T\|
\]

再玩一下，令：
\[
G =
\left [ \begin{array}{lll}
A_1 & A_2^T & A_3^T \\
A_2 & M & B^T \\
A_3 & B & C
\end{array} \right ]
\]
且\(M = U_M \Lambda_M U_M^T\).
再令
\[
\widetilde{U} :=
\left [ \begin{array}{c}
A_2^TU_M \Lambda_M^{-1} \\
U_M \\
B U_M \Lambda_M^{-1}
\end{array} \right ]
\]
则：
\[
\widetilde{G} := \widetilde{U} \Lambda_M \widetilde{U}^T =
\left [ \begin{array}{ccc}
A_2^T M^{-1} A_2 & A_2^T & A_2^T M^{-1} B^T \\
A_2 & M & B^T \\
BM^{-1}A_2 & B & BM^{-1} B^T
\end{array} \right ]
\]
这个阵型还蛮酷的。

低秩逼近

先来介绍一个性质：\(F(F^TF)^{-1/2}\)列正交（当然\(F^TF\)得可逆）。
\[
(F(F^TF)^{-1/2})^TF(F^TF)^{-1/2} = (F^TF)^{-1/2}F^TF(F^TF)^{-1/2} = I
\]
实际上，如果\(F^TF = V\Lambda V^T\)，那么\(FV_k \Lambda_k^{-1/2}\)列正交。
所以，我们可以让\(F\)的列为\(G\)中某些列的组合，再让\(P_k := FV_k \Lambda_k^{-1/2}\),最后：
\[
\widetilde{G}_k := P_kP_k^TGP_kP_k^T
\]
来作为\(G\)的一个近似。

矩阵乘法的逼近

如果我们能够令\(\|GG^T-FF^T\|\)尽可能小，那么\(P_kP_k^TG\)就越有可能成为一个好的逼近，这需要利用矩阵乘法的逼近。
对于矩阵\(A \in \mathbb{R}^{m \times n}\)和\(B \in \mathbb{R}^{n \times p}\)，得：
\[
AB = \sum_{i=1}^n A_iB^i
\]
其中\(A_i\)为\(A\)的第i列，\(B^i\)为\(B\)的第i行。
论文举了一个例子：
如果\(n=2\)，且\(A_2 = \sqrt{\alpha} A_1\),\(B=A^T\)，
那么\(AB = (1+\alpha)A_1A_1^T\)。这意味着，我们只需通过\(A\)的第一列就能恢复\(AB\)。
所以接下来的问题是：

• 如何选择行或者列
• 如何调整它们的大小（乘个系数）

作者说，有一个神谕说列和行应该为\(S \subset \{1, \ldots, n\}\)，不失一般性，假设其为\(S = \{1, \ldots, k\}\)。下面的定理给出了权重的选择：

所以我们要挑选\(S\),使得\(Z\)的对角线元素尽可能小，这意味着，我们要挑选这样的\(S\),使得\(<A_i, A_i><B^i, B^i>\)最大。
于是有了下面的俩个算法，分别针对矩阵乘法和矩阵逼近的：