Third-Order Tensors as Operators on Matrices: A Theoretical and Computational Framework with Applications in Imaging

数学 线性代数 域代数上的 Krylov子空间 张量积 正交化 正交性 核(代数) 双线性形式 数值线性代数 外部产品 去模糊 正交补码 应用数学 基质(化学分析) 双线性插值 张量(固有定义) 线性系统 纯数学 算法 图像处理 子空间拓扑 图像(数学) 数学分析 计算机科学 人工智能 几何学 图像复原 统计 复合材料 材料科学
作者
Misha E. Kilmer,Karen Braman,Ning Hao,Randy C. Hoover
出处
期刊:SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:34 (1): 148-172 被引量:897
标识
DOI:10.1137/110837711
摘要

Recent work by Kilmer and Martin [Linear Algebra Appl., 435 (2011), pp. 641--658] and Braman [Linear Algebra Appl., 433 (2010), pp. 1241--1253] provides a setting in which the familiar tools of linear algebra can be extended to better understand third-order tensors. Continuing along this vein, this paper investigates further implications including (1) a bilinear operator on the matrices which is nearly an inner product and which leads to definitions for length of matrices, angle between two matrices, and orthogonality of matrices, and (2) the use of t-linear combinations to characterize the range and kernel of a mapping defined by a third-order tensor and the t-product and the quantification of the dimensions of those sets. These theoretical results lead to the study of orthogonal projections as well as an effective Gram--Schmidt process for producing an orthogonal basis of matrices. The theoretical framework also leads us to consider the notion of tensor polynomials and their relation to tensor eigentuples defined in the recent article by Braman. Implications for extending basic algorithms such as the power method, QR iteration, and Krylov subspace methods are discussed. We conclude with two examples in image processing: using the orthogonal elements generated via a Golub--Kahan iterative bidiagonalization scheme for object recognition and solving a regularized image deblurring problem.

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