低秩近似之路(四):插值分解(Interpolative Decomposition)

科技   2024-12-20 23:00   北京  

©PaperWeekly 原创 · 作者 | 苏剑林

单位 | 科学空间

研究方向 | NLP、神经网络


这篇文章的主角是 ID(Interpolative Decomposition),中文可以称之为“插值分解”,它同样可以理解为是一种具有特定结构的低秩分解,其中的一侧是该矩阵的若干列(当然如果你偏好于行,那么选择行也没什么问题),换句话说,ID 试图从一个矩阵中找出若干关键列作为“骨架”(通常也称作“草图”)来逼近原始矩阵。
可能很多读者都未曾听说过 ID,即便维基百科也只有几句语焉不详的介绍(链接 [1]),但事实上,ID 跟 SVD 一样早已内置在 SciPy 之中(参考 scipy.linalg.interpolative [2]),这侧面印证了 ID 的实用价值。


基本定义

前三篇文章我们分别介绍了伪逆SVDCR 近似,它们都可以视为寻找特定结构的低秩近似:
其中 。当不再添加其他约束时,最优解由 SVD 给出;当约定 并且 之一已经给出求另一半的最优解时,最优解可以通过伪逆来给出;如果约 那么就是 CR 近似关心的问题。
CR 近似通过选择原本矩阵的行/列来构建低秩近似,这使得近似结果更具解释性,同时也适用于一些非线性场景,但 CR 近似的前提是矩阵 本身是由两个矩阵相乘而来,它的初衷是降低矩阵计算量,而对于直接给出矩阵 的场景,类似的低秩近似则由 ID 给出。
具体来说,在 ID 中 ,其中 的若干列, 是任意的,即以 若干列为骨架来逼近它自己:

根据《低秩近似之路(一):伪逆》的结果,如果 已经确定,那么 的最优解就是 ,所以 ID 的实际难度只有 S 的优化,即列的选取,这是一个组合优化问题,精确求解是 NP-Hard 的,所以主要目前是寻找效率和精度都适当的近似算法。


几何意义

在试图求解之前,我们先来进一步了解一下 ID 的几何意义,这有助于我们更好地理解它的应用场景和求解思路。我们先将 表示为列向量形式 ,那么对于任意列向量 ,我们有

所以 的几何意义是 的列向量的线性组合。注意 选自 ,所以 ID 就是说选择若干列作为(近似的)基向量,将剩下的列都表示为这些基的线性组合,这就是 ID 中的 “I(Interpolative,插值)”的含义。
我们知道,“Interpolative” 更准确的含义是“内插”,为了更好地突出“内插”这一特性,有些文献会给 ID 的定义加上 的条件( 是矩阵 的任意元素)。
当然这个条件实际上也比较苛刻,保证它严格成立的难度可能也是 NP-Hard 的,所以很多文献会将其放宽为 ,大多数近似算法的实际表现都能让这个界成立,如果没有其他需求,只考虑逼近误差的最优,那么也可以去掉这个限制。


QR分解

ID 的求解算法分为确定性算法和随机算法两大类,其中确定性算法的计算量更大但近似程度往往更优,反之随机算法计算效率更高但精度稍次。注意它们都只是实际表现尚可的近似算法,并且都不排除有完全失效的极端例子的可能性。

第一个被视为标准的近似算法是基于 QR 分解的,更准确地说是 Column-Pivoting 的 QR 分解,中文常译作“列主元 QR 分解”(不过笔者感觉还不如干脆意译为“列驱 QR 分解”),它是一个确定性算法。为什么 ID 会跟 QR 分解联系在一起呢?我们可以从 的求法出发来理解。
前面提到,如果 已经给定,那么 的最优解就是 ,这个答案当然是对的,但不够直观。
不失一般性,假设 线性无关,那么从几何的角度看,求 形式的最优近似实际上就是将 的每个列向量都投影到 构成的 维子空间中,而为了求出这个投影结果,我们可以先将 执行 Gram-Schmidt 正交化,使其变为一组标准正交基,然后在标准正交基上投影就简单多了,而正交化的过程,自然就对应 QR 分解了。
Gram-Schmidt 正交化是递归执行如下步骤:
其结果将 表示成:
有了 ,那么矩阵 的第 上的最优逼近和误差就分别是



列驱 QR
当然,上述结果是在已知 的前提下得到的,那怎么从 中挑出比较优的 列构成 呢?列驱 QR 分解给出了一个参考答案。
一般来说,如果我们要对 做 Gram-Schmidt 正交化的话,都是按照顺序来的,即从 出发,接下来是 ,而列驱 QR 分解则根据模长来修改了正交化顺序,写成公式是

说白了,列驱 QR 分解就是每一步都选择剩下的误差最大的列来执行正交归一化。除了执行顺序有所变化外,列驱 QR 分解跟普通 QR 分解的计算并无其他不同之处,所以列驱 QR 分解的最终形式可以表示为

其中 是列置换矩阵。根据每一步都选择误差(模长)最大列的操作,我们可以得到对于任意 ,子矩阵 的第一列模长是最大的,它不小于剩余任意一列的模长,即
由此还可以推 这些性质让我们相信,如果想要 的一个 秩近似,只保留 的前 行应该是一个不错的选择,即

注意我们之前约定过切片的优先级高于求逆,所以这 含义是 不难发 际上就是矩阵 列,所以上式实际上给出了一个 ID 近似:
以上就是基于列驱 QR 分解的 ID 求解算法,也是 SciPy 内置的求解算法(rand=False)。注意该算法是无法保证 或者 的,但根据很多文献的反馈,在实践中它几乎不会出现 ,所以这算是一个比较良好的求解算法。
此外,SciPy 也内置了列驱 QR 分解,在  scipy.linalg.qr  中设置  pivoting=True  即可打开。


随机求解
列驱 QR 分解每一步正交化操作,需要遍历剩余的所有向量取误差最大者,这在 很大时往往难以接受,另一方面如果 很大,那么模长、内积的计算量也会很高,于是随机算法便应运而生,它设法减少 的值来降低计算复杂度。
首先我们来看降低 n 的思路,即降低 的每个列向量的维度,常用的方法是随机投影,跟《让人惊叹的 Johnson-Lindenstrauss 引理:理论篇》介绍的 “JL 引理”如出一辙。
具体来说,假设 是某个随机投影矩阵(其中 ),它的元素是从某个分布如 独立重复采样出来的,那么我们考虑在小矩阵 上执行列驱 QR 分解来确定被选中的 列的位置。更详细的介绍可以参考《Randomized algorithms for pivoting and for computing interpolatory and CUR factorizations》[3]
根据笔者有限的调研显示,SciPy 求解 ID 的随机算法也是用的是类似思路,只是把随机采样的矩阵换成了更加结构化的 “Subsampled Randomized Fourier Transform(SRFT)”,使得 这一步的计算量可以从 降到
不过 SRFT 以及 SciPy 的实现细节笔者也不了解,有兴趣的读者可以参考《Enabling very large-scale matrix computations via randomization》[4]、《A brief introduction to Randomized Linear Algebra》[5] 等资料进一步深究。
没有深究 SRFT 等复杂随机投影方法的另一个原因,是论文《Efficient Algorithms for Constructing an Interpolative Decomposition》[6] 发现更简单的列采样往往能得到更优的结果,而且还特别好理解,就是从 中随机采样 列,然后用列驱 QR 分解从这 列中选出 列作为 ,最后再来根据 求解 ,这样就将列驱 QR 分解的矩阵大小从 降低到
实验显示这样的简单思路顶多在个别任务上增大了 的风险,但在误差上有明显优势:

▲ 列采样(Optim-RID)与 SciPy 内置算法(SciPy-RID)的Z矩阵最大绝对值比较

▲ 列采样(Optim-RID)与 SciPy 内置算法(SciPy-RID)的误差比较

▲ 列采样(Optim-RID)与 SciPy 内置算法(SciPy-RID)的效率比较



提高精度

从上述表格可以留意到一个也许会让人觉得意外的结果:随机列采样的 Optim-RID,在误差方面不仅优于同样是随机算法的 SciPy-RID,在个别任务上甚至还优于确定性算法 SciPy-ID 和 Optim-ID(它们数学上是等价的,都是基于完整的列驱 QR 分解,只是实现上的效率有所不同)。

这个看似反直觉的现象,实则说明了一个事实:列驱 QR 分解虽然可以作为 ID 的一个较好的 baseline,但它选择基的能力可能跟随机选择差不了多少,列驱 QR 分解的主要作用只是保证大概率成立
其实这也不难理解,我们以 为例,这时候列驱 QR 分解就是返回模长最大的那一列,可是模长最大的那列一定是好的(能使得重构误差最小的)基底吗?显然不是,好的基底应该是多数向量共同指向的方向,模长最大不能体现这一点。
对于 ID 来说,列驱 QR 分解本质上是一种贪心算法,它将选 列贪心地转化为多个选 1 列的递归,而当 时,在 不算太大或者要求高精度的场景,通过枚举来精确求解的复杂度是可以接受的
即遍历所有的 ,将剩下的所有列都投影到 上来计算总误差,选择总误差最小的 ,其复杂度跟 成正比。如果将列驱 QR 分解每一步选择模长最大的操作改为选择总误差最小的上式,那么就能找出更好的基底,从而实现更低的重构误差(代价自然是复杂度更高了,而且更加无法保证 了)。

总的来说,由于精确求解的 NP-Hard 性,所以 ID 有非常多的求解思路,上面列举的只是非常有限的几种,有兴趣的读者可以可以围绕着 Randomized Linear Algebra、Column Subset Selection 等关键词深入搜索。

特别要指出的是,Randomized Linear Algebra,旨在通过随机方法来加速各种矩阵运算,本身已经成为了一个内容丰富的学科,本文的随机 ID 和上一篇基于采样的 CR 近似,都是这个学科的经典例子。


文章小结
本文介绍了 ID(Interpolative Decomposition,插值分解),它通过从原矩阵中选择若干列来作为“骨架”来逼近原矩阵,是一种具有特定结构的低秩分解,几何意义相对来说更加直观,其核心难度是列的选择,本质上是一个 NP-Hard 的离散优化问题。

参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Interpolative_decomposition

[2] https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/linalg.interpolative.html

[3] https://users.oden.utexas.edu/~pgm/Talks/2021_ENLA.pdf

[4] https://amath.colorado.edu/faculty/martinss/Talks/2010_banff.pdf

[5] https://anthony-nouy.github.io/tutorials/morss/morss_2019_rla.pdf

[6] https://papers.cool/arxiv/2105.07076



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