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Faster Randomized Block Kaczmarz Algorithms

数学 算法 收敛速度 预处理程序 块(置换群论) 线性系统 趋同(经济学) 数学优化 迭代法 计算机科学 组合数学 计算机网络 数学分析 频道(广播) 经济 经济增长
作者
Ion Necoara
出处
期刊:SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:40 (4): 1425-1452 被引量:100
标识
DOI:10.1137/19m1251643
摘要

The Kaczmarz algorithm is a simple iterative scheme for solving consistent linear systems. At each step, the method projects the current iterate onto the solution space of a single constraint. Hence, it requires low cost per iteration and storage, and it has a linear rate of convergence. Distributed implementations of Kaczmarz have recently become the de facto architectural choice for large-scale linear systems. Therefore, in this paper we develop a family of randomized block Kaczmarz algorithms that uses at each step a subset of the constraints and extrapolated stepsizes, and can be deployed on distributed computing units. Our approach is based on several new ideas and tools, including stochastic selection rules for the blocks of rows, stochastic conditioning of linear systems, and novel strategies for designing extrapolated stepsizes. We prove that randomized block Kaczmarz algorithms converge linearly in expectation, with a rate depending on the geometric properties of the matrix and its submatrices and on the size of the blocks. Our convergence analysis reveals that the algorithm is most effective when it is given a good sampling of the rows into well-conditioned blocks. Besides providing a general framework for the design and analysis of randomized block Kaczmarz methods, our results resolve an open problem in the literature related to the theoretical understanding of observed practical efficiency of extrapolated block Kaczmarz methods. We also propose an accelerated block Kaczmarz scheme, that is, acceleration in the sense of Chebyshev semi-iterative methods, where the stepsize is chosen based on the roots of Chebyshev polynomials, and we derive convergence rates depending on the square root of the geometric properties of the matrix. Finally, numerical examples illustrate the benefits of the new algorithms.
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