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Finding Structure with Randomness: Probabilistic Algorithms for Constructing Approximate Matrix Decompositions

奇异值分解 算法 矩阵分解 稀疏矩阵 奇异值 低秩近似 QR分解 随机性 数学 矩阵完成 随机算法 计算机科学 基质(化学分析) 数学优化 汉克尔矩阵 特征向量 统计 物理 数学分析 复合材料 高斯分布 量子力学 材料科学
作者
Nathan Halko,Per‐Gunnar Martinsson,Joel A. Tropp
出处
期刊:Siam Review [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:53 (2): 217-288 被引量:3877
标识
DOI:10.1137/090771806
摘要

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets. This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed—either explicitly or implicitly—to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, robustness, and/or speed. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis. The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an $m \times n$ matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require $\bigO(mn \log(k))$ floating-point operations (flops) in contrast to $ \bigO(mnk)$ for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multiprocessor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to $\bigO(k)$ passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.
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