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Low-rank approximation

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5029: 7199: 2632: 8939:. However, the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) can be applied to solve the nonconvex problem with convex objective function, rank constraints and other convex constraints, and is thus suitable to solve our above problem. Moreover, unlike the general nonconvex problems, ADMM will guarantee to converge a feasible solution as long as its dual variable converges in the iterations. 4589: 8842: 5711: 7010: 1145: 8187: 6730: 395: 592: 7021: 2343: 1594: 6851: 3418: 5024:{\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{i}(A')+\sigma _{j}(A'')&=\sigma _{1}(A'-A'_{i-1})+\sigma _{1}(A''-A''_{j-1})\\&\geq \sigma _{1}(A-A'_{i-1}-A''_{j-1})\\&\geq \sigma _{1}(A-A_{i+j-2})\qquad ({\text{since }}{\rm {rank}}(A'_{i-1}+A''_{j-1})\leq i+j-2))\\&=\sigma _{i+j-1}(A).\end{aligned}}} 8692: 5565: 8669:
The variable projections approach can be applied also to low rank approximation problems parameterized in the kernel form. The method is effective when the number of eliminated variables is much larger than the number of optimization variables left at the stage of the nonlinear least squares
6862: 972: 4040: 5511: 7961: 6597: 274: 7194:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {D}}{\text{ and }}R\quad \operatorname {vec} ^{\top }(D-{\widehat {D}})W\operatorname {vec} (D-{\widehat {D}})\quad {\text{subject to}}\quad R{\widehat {D}}=0\quad {\text{and}}\quad RR^{\top }=I_{r},} 2627:{\displaystyle \|A-A_{k}\|_{2}=\left\|\sum _{i=1}^{\color {red}{n}}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }-\sum _{i=1}^{\color {red}{k}}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }\right\|_{2}=\left\|\sum _{i=\color {red}{k+1}}^{n}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }\right\|_{2}=\sigma _{k+1}} 480: 1418: 5793:
The general weighted low-rank approximation problem does not admit an analytic solution in terms of the singular value decomposition and is solved by local optimization methods, which provide no guarantee that a globally optimal solution is found.
6741: 3188: 4285: 8837:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {p}}\quad \|p-{\widehat {p}}\|\quad {\text{subject to}}\quad \operatorname {rank} {\big (}{\mathcal {S}}({\widehat {p}}){\big )}\leq r{\text{ and }}g({\widehat {p}})\leq 0} 5706:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {D}}\quad \operatorname {vec} (D-{\widehat {D}})^{\top }W\operatorname {vec} (D-{\widehat {D}})\quad {\text{subject to}}\quad \operatorname {rank} ({\widehat {D}})\leq r,} 8670:
minimization. Such problems occur in system identification, parameterized in the kernel form, where the eliminated variables are the approximating trajectory and the remaining variables are the model parameters. In the context of
6233:, it is known that this entry-wise L1 norm is more robust than the Frobenius norm in the presence of outliers and is indicated in models where Gaussian assumptions on the noise may not apply. It is natural to seek to minimize 7354:
The resulting optimization algorithm (called alternating projections) is globally convergent with a linear convergence rate to a locally optimal solution of the weighted low-rank approximation problem. Starting value for the
4420: 8894:
This problem is helpful in solving many problems. However, it is challenging due to the combination of the convex and nonconvex (low-rank) constraints. Different techniques were developed based on different realizations of
7005:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {D}},P{\text{ and }}L\quad \operatorname {vec} ^{\top }(D-{\widehat {D}})W\operatorname {vec} (D-{\widehat {D}})\quad {\text{subject to}}\quad {\widehat {D}}=PL} 782: 166: 2050: 1140:{\displaystyle U=:{\begin{bmatrix}U_{1}&U_{2}\end{bmatrix}},\quad \Sigma =:{\begin{bmatrix}\Sigma _{1}&0\\0&\Sigma _{2}\end{bmatrix}},\quad {\text{and}}\quad V=:{\begin{bmatrix}V_{1}&V_{2}\end{bmatrix}},} 695: 54:. The rank constraint is related to a constraint on the complexity of a model that fits the data. In applications, often there are other constraints on the approximating matrix apart from the rank constraint, e.g., 6103: 2215: 3734: 8182:{\displaystyle f(P)={\sqrt {\operatorname {vec} ^{\top }(D){\Big (}W-W(I_{n}\otimes P){\big (}(I_{n}\otimes P)^{\top }W(I_{n}\otimes P){\big )}^{-1}(I_{n}\otimes P)^{\top }W{\Big )}\operatorname {vec} (D)}}.} 3862: 2835: 1407: 3014: 5306: 6725:{\displaystyle \operatorname {rank} ({\widehat {D}})\leq r\quad \iff \quad {\text{there are }}P\in \mathbb {R} ^{m\times r}{\text{ and }}L\in \mathbb {R} ^{r\times n}{\text{ such that }}{\widehat {D}}=PL} 1985: 3180: 5295: 5938: 854: 390:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {p}}\quad \|p-{\widehat {p}}\|\quad {\text{subject to}}\quad \operatorname {rank} {\big (}{\mathcal {S}}({\widehat {p}}){\big )}\leq r.} 4594: 587:{\displaystyle {\text{minimize}}\quad {\text{over }}{\widehat {D}}\quad \|D-{\widehat {D}}\|_{\text{F}}\quad {\text{subject to}}\quad \operatorname {rank} {\big (}{\widehat {D}}{\big )}\leq r} 6202: 8891:
is linear, like we require all elements to be nonnegative, the problem is called structured low rank approximation. The more general form is named convex-restricted low rank approximation.
3474: 1732: 1679: 1589:{\displaystyle \|D-{\widehat {D}}^{*}\|_{\text{F}}=\min _{\operatorname {rank} ({\widehat {D}})\leq r}\|D-{\widehat {D}}\|_{\text{F}}={\sqrt {\sigma _{r+1}^{2}+\cdots +\sigma _{m}^{2}}}.} 6569: 6446: 6388: 211: 8937: 8889: 4330: 9258:
G. Golub and V. Pereyra, Separable nonlinear least squares: the variable projection method and its applications, Institute of Physics, Inverse Problems, Volume 19, 2003, Pages 1-26.
8686:
Usually, we want our new solution not only to be of low rank, but also satisfy other convex constraints due to application requirements. Our interested problem would be as follows,
5087: 904: 5169: 3542: 1800: 1633: 6846:{\displaystyle \operatorname {rank} ({\widehat {D}})\leq r\quad \iff \quad {\text{there is full row rank }}R\in \mathbb {R} ^{m-r\times m}{\text{ such that }}R{\widehat {D}}=0} 4480: 5557: 4086: 2678: 5745: 5131: 3413:{\displaystyle \|A-B_{k}\|_{2}^{2}\geq \|(A-B_{k})w\|_{2}^{2}=\|Aw\|_{2}^{2}=\gamma _{1}^{2}\sigma _{1}^{2}+\cdots +\gamma _{k+1}^{2}\sigma _{k+1}^{2}\geq \sigma _{k+1}^{2}.} 609:
in the infinite dimensional context of integral operators (although his methods easily generalize to arbitrary compact operators on Hilbert spaces) and later rediscovered by
42:
measures the fit between a given matrix (the data) and an approximating matrix (the optimization variable), subject to a constraint that the approximating matrix has reduced
3645: 2126: 5213: 4550: 3053: 7263:
The image representation of the rank constraint suggests a parameter optimization method in which the cost function is minimized alternatively over one of the variables (
6270: 4450: 3112: 1228: 242: 6492: 4582: 1917: 1307: 1254: 1201: 808: 6322: 4525: 3500: 1891: 1758: 944: 8847:
This problem has many real world applications, including to recover a good solution from an inexact (semidefinite programming) relaxation. If additional constraint
7229: 3791: 3764: 2272: 2245: 1281: 1175: 8223: 4154: 6296: 6231: 6129: 2904: 8243: 7954: 7934: 7911: 7891: 7393: 7373: 7341: 7321: 7301: 7281: 7253: 6466: 5978: 5958: 5835: 5815: 5788: 5768: 4500: 4146: 4126: 4106: 3851: 3831: 3811: 3612: 3592: 3569: 3073: 2924: 2878: 2858: 2738: 2718: 2698: 2332: 2312: 2292: 2093: 2073: 1867: 1847: 1827: 1327: 964: 924: 718: 265: 7873:
The alternating projections algorithm exploits the fact that the low rank approximation problem, parameterized in the image form, is bilinear in the variables
9316:
M. T. Chu, R. E. Funderlic, R. J. Plemmons, Structured low-rank approximation, Linear Algebra and its Applications, Volume 366, 1 June 2003, Pages 157–172
723: 104: 1990: 627: 6000: 6575:, and multi-dimensional unfolding. In an attempt to reduce their description size, one can study low rank approximation of such matrices. 4035:{\displaystyle \|A-A_{k}\|_{F}^{2}=\left\|\sum _{i=k+1}^{n}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }\right\|_{F}^{2}=\sum _{i=k+1}^{n}\sigma _{i}^{2}} 4335: 2134: 5559:. Prior knowledge about distribution of the errors can be taken into account by considering the weighted low-rank approximation problem 5506:{\displaystyle \|A-B_{k}\|_{F}^{2}=\sum _{i=1}^{n}\sigma _{i}(A-B_{k})^{2}\geq \sum _{i=k+1}^{n}\sigma _{i}(A)^{2}=\|A-A_{k}\|_{F}^{2},} 3653: 5797:
In case of uncorrelated weights, weighted low-rank approximation problem also can be formulated in this way: for a non-negative matrix
2743: 1335: 9358: 7348: 2932: 9348: 1925: 3117: 55: 5220: 5840: 7916:
Consider again the weighted low rank approximation problem, parameterized in the image form. Minimization with respect to the
813: 8984:
C. Eckart, G. Young, The approximation of one matrix by another of lower rank. Psychometrika, Volume 1, 1936, Pages 211–8.
8246: 7936:
variable (a linear least squares problem) leads to the closed form expression of the approximation error as a function of
6204:
time. One of the important ideas been used is called Oblivious Subspace Embedding (OSE), it is first proposed by Sarlos.
9353: 6571:. Such distances matrices are commonly computed in software packages and have applications to learning image manifolds, 3548: 1806: 598: 66: 9169:
Chierichetti, Flavio; Gollapudi, Sreenivas; Kumar, Ravi; Lattanzi, Silvio; Panigrahy, Rina; Woodruff, David P. (2017).
5747: 444: 6134: 3438: 1696: 1638: 86: 7913:. The bilinear nature of the problem is effectively used in an alternative approach, called variable projections. 35: 8948: 6497: 6393: 6335: 174: 78: 8968:
E. Schmidt, Zur Theorie der linearen und nichtlinearen Integralgleichungen, Math. Annalen 63 (1907), 433-476.
7395:) parameter should be given. The iteration is stopped when a user defined convergence condition is satisfied. 8898: 8850: 6572: 5037: 859: 3508: 1766: 34:
refers to the process of approximating a given matrix by a matrix of lower rank. More precisely, it is a
7344: 1602: 407: 82: 43: 6856:
the weighted low-rank approximation problem becomes equivalent to the parameter optimization problems
5527: 4048: 2640: 6583:
The low-rank approximation problems in the distributed and streaming setting has been considered in.
5719: 3617: 2098: 5174: 74: 3022: 9239: 9199: 9174: 9149: 9124: 9084: 9059: 9000:
L. Mirsky, Symmetric gauge functions and unitarily invariant norms, Q.J. Math. 11 (1960), 50-59.
6236: 3078: 1206: 448: 423: 216: 47: 5092: 221: 6471: 5136: 4555: 1896: 1286: 1233: 1180: 787: 8671: 4293: 1870: 438: 7401:
implementation of the alternating projections algorithm for weighted low-rank approximation:
6301: 4455: 4280:{\displaystyle \|A-A_{k}\|_{F}^{2}=\sum _{i=k+1}^{n}\sigma _{i}^{2}\leq \|A-B_{k}\|_{F}^{2}.} 3479: 1876: 1737: 929: 9317: 9281: 9001: 8985: 8969: 4425: 458: 454: 431: 417: 51: 7207: 3769: 3742: 2250: 2223: 1259: 1153: 8255:
implementation of the variable projections algorithm for weighted low-rank approximation:
8199: 7232: 1919: 70: 6275: 6210: 6108: 4530: 2883: 4505: 9123:. STOC '17 Proceedings of the forty-ninth annual ACM symposium on Theory of Computing. 9058:. STOC '13 Proceedings of the forty-fifth annual ACM symposium on Theory of Computing. 9043:. STOC '16 Proceedings of the forty-eighth annual ACM symposium on Theory of Computing. 9018: 8228: 7939: 7919: 7896: 7876: 7378: 7358: 7326: 7306: 7286: 7266: 7238: 6451: 5963: 5943: 5820: 5800: 5773: 5753: 4485: 4131: 4111: 4091: 3836: 3816: 3796: 3597: 3577: 3554: 3428: 3058: 2909: 2863: 2843: 2723: 2703: 2683: 2317: 2297: 2277: 2078: 2058: 1852: 1832: 1812: 1312: 949: 909: 703: 606: 471: 427: 250: 9321: 9286: 9269: 9342: 8675: 8193: 1686: 614: 411: 59: 39: 3423:
The result follows by taking the square root of both sides of the above inequality.
17: 601:
of the data matrix. The result is referred to as the matrix approximation lemma or
65:
Low-rank approximation is closely related to numerous other techniques, including
9301: 9081:
OSNAP: Faster numerical linear algebra algorithms via sparser subspace embeddings
9302:"A General System for Heuristic Solution of Convex Problems over Nonconvex Sets" 618: 610: 777:{\displaystyle \Sigma =:\operatorname {diag} (\sigma _{1},\ldots ,\sigma _{m})} 161:{\displaystyle {\mathcal {S}}:\mathbb {R} ^{n_{p}}\to \mathbb {R} ^{m\times n}} 5524:
The Frobenius norm weights uniformly all elements of the approximation error
9038: 2045:{\displaystyle \sigma _{1}\geq \sigma _{2}\geq \cdots \geq \sigma _{m}\geq 0} 690:{\displaystyle D=U\Sigma V^{\top }\in \mathbb {R} ^{m\times n},\quad m\geq n} 9005: 9106:
Improved approximation algorithms for large matrices via random projections
7303:) with the other one fixed. Although simultaneous minimization over both 2880:
columns, then there must be a nontrivial linear combination of the first
9236:
Optimal Principal Component Analysis in Distributed and Streaming Models
8989: 8973: 9219:
Indyk, Piotr; Vakilian, Ali; Wagner, Tal; Woodruff, David P. (2019).
8252: 7398: 6098:{\displaystyle \|A\|_{p}=\left(\sum _{i,j}|A_{i,j}^{p}|\right)^{1/p}} 9244: 9204: 9179: 9154: 9129: 4415:{\displaystyle \sigma _{1}(A)\leq \sigma _{1}(A')+\sigma _{1}(A'')} 2210:{\displaystyle A_{k}:=\sum _{i=1}^{k}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }} 621:
generalized the result to arbitrary unitarily invariant norms. Let
420:, in which case the approximating matrix is nonlinearly structured. 9089: 9064: 3729:{\displaystyle A_{k}=\sum _{i=1}^{k}\sigma _{i}u_{i}v_{i}^{\top }} 9268:
Chu, Moody T.; Funderlic, Robert E.; Plemmons, Robert J. (2003).
2830:{\displaystyle \|A-A_{k}\|_{2}=\sigma _{k+1}\leq \|A-B_{k}\|_{2}} 1402:{\displaystyle {\widehat {D}}^{*}=U_{1}\Sigma _{1}V_{1}^{\top },} 1329:
matrix, obtained from the truncated singular value decomposition
3009:{\displaystyle w=\gamma _{1}v_{1}+\cdots +\gamma _{k+1}v_{k+1},} 9333: 9234:
Boutsidis, Christos; Woodruff, David P.; Zhong, Peilin (2016).
1980:{\displaystyle (\sigma _{1},\sigma _{2},\cdots ,\sigma _{m})} 9056:
Low Rank Approximation and Regression in Input Sparsity Time
8766: 441:, in which case there is a positive definiteness constraint. 348: 110: 8245:. For this purpose standard optimization methods, e.g. the 7347:
problem, minimization over one of the variables alone is a
3175:{\displaystyle \gamma _{1}^{2}+\cdots +\gamma _{k+1}^{2}=1} 9221:
Sample-Optimal Low-Rank Approximation of Distance Matrices
9196:
Sublinear Time Low-Rank Approximation of Distance Matrices
9144:
Bringmann, Karl; Kolev, Pavel; Woodruff, David P. (2017).
9037:
Razenshteyn, Ilya; Song, Zhao; Woodruff, David P. (2016).
5290:{\displaystyle \sigma _{i}(A-B_{k})\geq \sigma _{k+i}(A).} 9040:
Weighted Low Rank Approximations with Provable Guarantees
5933:{\displaystyle \sum _{i,j}(W_{i,j}(A_{i,j}-B_{i,j}))^{2}} 8951:
is made from the rows and columns of the original matrix
6587:
Image and kernel representations of the rank constraints
849:{\displaystyle \sigma _{1}\geq \ldots \geq \sigma _{m}} 9146:
Approximation Algorithms for L0-Low Rank Approximation
9119:
Song, Zhao; Woodruff, David P.; Zhong, Peilin (2017).
6324:, there are some algorithms with provable guarantees. 4290:
By the triangle inequality with the spectral norm, if
1101: 1035: 987: 8901: 8853: 8695: 8231: 8202: 7964: 7942: 7922: 7899: 7879: 7381: 7361: 7329: 7309: 7289: 7269: 7241: 7210: 7024: 6865: 6744: 6600: 6500: 6474: 6454: 6396: 6338: 6304: 6278: 6239: 6213: 6137: 6111: 6003: 5966: 5946: 5843: 5823: 5803: 5776: 5756: 5722: 5568: 5530: 5309: 5223: 5177: 5139: 5095: 5040: 4592: 4558: 4533: 4508: 4488: 4458: 4428: 4338: 4296: 4157: 4134: 4114: 4094: 4051: 3865: 3839: 3819: 3799: 3772: 3745: 3656: 3620: 3600: 3580: 3557: 3511: 3482: 3441: 3191: 3120: 3081: 3061: 3025: 2935: 2912: 2886: 2866: 2846: 2746: 2726: 2706: 2686: 2643: 2346: 2320: 2300: 2280: 2253: 2226: 2137: 2101: 2081: 2061: 1993: 1928: 1899: 1879: 1855: 1835: 1815: 1769: 1740: 1699: 1641: 1605: 1421: 1338: 1315: 1289: 1262: 1236: 1209: 1183: 1156: 975: 952: 932: 912: 862: 816: 810:
rectangular diagonal matrix with the singular values
790: 726: 706: 630: 483: 277: 253: 224: 177: 107: 8192:
The original problem is therefore equivalent to the
7351:
problem and can be solved globally and efficiently.
6579:
Distributed/Streaming low-rank approximation problem
6448:
be two point sets in an arbitrary metric space. Let
9121:
Low Rank Approximation with Entrywise L1-Norm Error
8682:
A Variant: convex-restricted low rank approximation
8931: 8883: 8836: 8237: 8217: 8181: 7948: 7928: 7905: 7885: 7387: 7367: 7335: 7315: 7295: 7275: 7247: 7223: 7193: 7004: 6845: 6724: 6563: 6486: 6460: 6440: 6382: 6316: 6290: 6264: 6225: 6196: 6123: 6097: 5972: 5952: 5932: 5829: 5809: 5790:is a given positive (semi)definite weight matrix. 5782: 5762: 5739: 5705: 5551: 5505: 5289: 5207: 5163: 5125: 5081: 5023: 4576: 4544: 4519: 4494: 4474: 4444: 4414: 4324: 4279: 4140: 4120: 4100: 4080: 4034: 3845: 3825: 3805: 3785: 3758: 3728: 3639: 3606: 3586: 3563: 3536: 3494: 3468: 3412: 3174: 3106: 3067: 3047: 3008: 2918: 2898: 2872: 2852: 2829: 2732: 2712: 2692: 2672: 2626: 2326: 2306: 2286: 2266: 2239: 2209: 2120: 2087: 2067: 2044: 1979: 1911: 1885: 1861: 1841: 1821: 1794: 1752: 1726: 1673: 1627: 1588: 1401: 1321: 1301: 1275: 1248: 1222: 1195: 1169: 1139: 958: 938: 918: 898: 848: 802: 776: 712: 689: 586: 470:The unstructured problem with fit measured by the 389: 259: 236: 205: 160: 9334:C++ package for structured-low rank approximation 9054:Clarkson, Kenneth L.; Woodruff, David P. (2013). 8154: 8006: 1464: 6197:{\displaystyle nnz(A)+n\cdot poly(k/\epsilon )} 9194:Bakshi, Ainesh L.; Woodruff, David P. (2018). 8791: 8759: 8106: 8044: 4552:by SVD method described above. Then, for any 3476:be a real (possibly rectangular) matrix with 3469:{\displaystyle A\in \mathbb {R} ^{m\times n}} 1734:be a real (possibly rectangular) matrix with 1727:{\displaystyle A\in \mathbb {R} ^{m\times n}} 1674:{\displaystyle \sigma _{r+1}\neq \sigma _{r}} 573: 554: 373: 341: 8: 8741: 8720: 6435: 6403: 6377: 6345: 6253: 6240: 6011: 6004: 5486: 5466: 5330: 5310: 4260: 4240: 4178: 4158: 3886: 3866: 3628: 3621: 3285: 3275: 3258: 3229: 3212: 3192: 3089: 3082: 2818: 2798: 2767: 2747: 2367: 2347: 2109: 2102: 1522: 1500: 1451: 1422: 893: 869: 530: 508: 410:, in which case the approximating matrix is 323: 302: 231: 225: 3055:. Without loss of generality, we can scale 6780: 6776: 6636: 6632: 3427:Proof of Eckart–Young–Mirsky theorem (for 1685:Proof of Eckart–Young–Mirsky theorem (for 9285: 9243: 9203: 9178: 9153: 9128: 9088: 9063: 8909: 8908: 8900: 8861: 8860: 8852: 8814: 8813: 8802: 8790: 8789: 8775: 8774: 8765: 8764: 8758: 8757: 8745: 8730: 8729: 8708: 8707: 8702: 8696: 8694: 8230: 8201: 8153: 8152: 8143: 8127: 8111: 8105: 8104: 8088: 8072: 8056: 8043: 8042: 8027: 8005: 8004: 7986: 7980: 7963: 7941: 7921: 7898: 7878: 7380: 7360: 7328: 7308: 7288: 7268: 7240: 7215: 7209: 7182: 7169: 7156: 7138: 7137: 7128: 7113: 7112: 7080: 7079: 7061: 7048: 7037: 7036: 7031: 7025: 7023: 6982: 6981: 6975: 6960: 6959: 6927: 6926: 6908: 6895: 6878: 6877: 6872: 6866: 6864: 6826: 6825: 6817: 6799: 6795: 6794: 6782: 6755: 6754: 6743: 6702: 6701: 6696: 6684: 6680: 6679: 6667: 6655: 6651: 6650: 6638: 6611: 6610: 6599: 6564:{\displaystyle A_{i,j}=dist(p_{i},q_{i})} 6552: 6539: 6505: 6499: 6473: 6453: 6441:{\displaystyle Q=\{q_{1},\ldots ,q_{n}\}} 6429: 6410: 6395: 6383:{\displaystyle P=\{p_{1},\ldots ,p_{m}\}} 6371: 6352: 6337: 6303: 6277: 6256: 6238: 6212: 6183: 6136: 6110: 6085: 6081: 6071: 6065: 6054: 6045: 6033: 6014: 6002: 5965: 5945: 5924: 5905: 5886: 5867: 5848: 5842: 5822: 5802: 5775: 5755: 5723: 5721: 5680: 5679: 5664: 5649: 5648: 5624: 5609: 5608: 5581: 5580: 5575: 5569: 5567: 5538: 5537: 5529: 5494: 5489: 5479: 5457: 5441: 5431: 5414: 5401: 5391: 5372: 5362: 5351: 5338: 5333: 5323: 5308: 5263: 5247: 5228: 5222: 5176: 5155: 5138: 5117: 5094: 5064: 5045: 5039: 4987: 4931: 4909: 4887: 4886: 4881: 4856: 4837: 4805: 4783: 4764: 4732: 4708: 4683: 4659: 4628: 4601: 4593: 4591: 4557: 4532: 4507: 4487: 4463: 4457: 4433: 4427: 4392: 4365: 4343: 4337: 4295: 4268: 4263: 4253: 4231: 4226: 4216: 4199: 4186: 4181: 4171: 4156: 4133: 4113: 4093: 4072: 4056: 4050: 4026: 4021: 4011: 3994: 3981: 3976: 3965: 3960: 3950: 3940: 3930: 3913: 3894: 3889: 3879: 3864: 3838: 3818: 3798: 3777: 3771: 3750: 3744: 3720: 3715: 3705: 3695: 3685: 3674: 3661: 3655: 3631: 3619: 3599: 3579: 3556: 3528: 3510: 3481: 3454: 3450: 3449: 3440: 3401: 3390: 3377: 3366: 3356: 3345: 3326: 3321: 3311: 3306: 3293: 3288: 3266: 3261: 3245: 3220: 3215: 3205: 3190: 3160: 3149: 3130: 3125: 3119: 3092: 3080: 3060: 3030: 3024: 2991: 2975: 2956: 2946: 2934: 2911: 2885: 2865: 2845: 2821: 2811: 2783: 2770: 2760: 2745: 2725: 2705: 2685: 2664: 2648: 2642: 2612: 2599: 2588: 2583: 2573: 2563: 2553: 2540: 2532: 2513: 2502: 2497: 2487: 2477: 2465: 2463: 2452: 2439: 2434: 2424: 2414: 2402: 2400: 2389: 2370: 2360: 2345: 2319: 2299: 2279: 2258: 2252: 2231: 2225: 2201: 2196: 2186: 2176: 2166: 2155: 2142: 2136: 2112: 2100: 2080: 2060: 2030: 2011: 1998: 1992: 1968: 1949: 1936: 1927: 1898: 1878: 1854: 1834: 1814: 1786: 1768: 1739: 1712: 1708: 1707: 1698: 1665: 1646: 1640: 1619: 1608: 1607: 1604: 1575: 1570: 1551: 1540: 1534: 1525: 1510: 1509: 1478: 1477: 1467: 1454: 1444: 1433: 1432: 1420: 1390: 1385: 1375: 1365: 1352: 1341: 1340: 1337: 1314: 1288: 1267: 1261: 1235: 1214: 1208: 1182: 1161: 1155: 1120: 1108: 1096: 1084: 1066: 1042: 1030: 1006: 994: 982: 974: 951: 931: 911: 861: 840: 821: 815: 789: 765: 746: 725: 705: 662: 658: 657: 647: 629: 597:has an analytic solution in terms of the 572: 571: 560: 559: 553: 552: 540: 533: 518: 517: 496: 495: 490: 484: 482: 372: 371: 357: 356: 347: 346: 340: 339: 327: 312: 311: 290: 289: 284: 278: 276: 252: 223: 206:{\displaystyle p\in \mathbb {R} ^{n_{p}}} 195: 190: 186: 185: 176: 146: 142: 141: 129: 124: 120: 119: 109: 108: 106: 9171:Algorithms for Lp Low-Rank Approximation 9017:Srebro, Nathan; Jaakkola, Tommi (2003). 8674:, the elimination step is equivalent to 5520:Weighted low-rank approximation problems 605:. This problem was originally solved by 9079:Nelson, Jelani; Nguyen, Huy L. (2013). 8961: 8932:{\displaystyle g({\widehat {p}})\leq 0} 8884:{\displaystyle g({\widehat {p}})\leq 0} 6328:Distance low-rank approximation problem 700:be the singular value decomposition of 5082:{\displaystyle \sigma _{k+1}(B_{k})=0} 899:{\displaystyle r\in \{1,\dots ,m-1\}} 457:, in which case the approximation is 447:, in which case the approximation is 426:, in which cases the data matrix has 7: 466:Basic low-rank approximation problem 9274:Linear Algebra and Its Applications 9270:"structured low-rank approximation" 4045:Therefore, we need to show that if 3537:{\displaystyle A=U\Sigma V^{\top }} 2637:Therefore, we need to show that if 1795:{\displaystyle A=U\Sigma V^{\top }} 8144: 8073: 7987: 7170: 7062: 6909: 5625: 4897: 4894: 4891: 4888: 4073: 3966: 3721: 3614:in the Frobenius norm, denoted by 3529: 3521: 3031: 2665: 2589: 2503: 2440: 2202: 1880: 1787: 1779: 1628:{\displaystyle {\widehat {D}}^{*}} 1391: 1372: 1211: 1063: 1039: 1024: 933: 727: 648: 640: 25: 7259:Alternating projections algorithm 2539: 2464: 2401: 2095:in the spectral norm, denoted by 9020:Weighted Low-Rank Approximations 6131:, the fastest algorithm runs in 5552:{\displaystyle D-{\widehat {D}}} 4081:{\displaystyle B_{k}=XY^{\top }} 2673:{\displaystyle B_{k}=XY^{\top }} 8750: 8744: 8719: 8701: 8194:nonlinear least squares problem 7161: 7155: 7133: 7127: 7056: 7030: 6980: 6974: 6903: 6871: 6781: 6775: 6637: 6631: 5993:low-rank approximation problems 5740:{\displaystyle {\text{vec}}(A)} 5669: 5663: 5592: 5574: 4877: 1089: 1083: 1023: 677: 545: 539: 507: 489: 332: 326: 301: 283: 171:vector of structure parameters 8920: 8905: 8872: 8857: 8825: 8810: 8786: 8771: 8212: 8206: 8171: 8165: 8140: 8120: 8100: 8081: 8069: 8049: 8039: 8020: 8001: 7995: 7974: 7968: 7869:Variable projections algorithm 7124: 7103: 7091: 7070: 6971: 6950: 6938: 6917: 6777: 6766: 6751: 6633: 6622: 6607: 6558: 6532: 6191: 6177: 6153: 6147: 6072: 6046: 5921: 5917: 5879: 5860: 5734: 5728: 5691: 5676: 5660: 5639: 5621: 5599: 5454: 5447: 5398: 5378: 5281: 5275: 5253: 5234: 5070: 5057: 5011: 5005: 4970: 4967: 4946: 4902: 4878: 4874: 4843: 4820: 4770: 4747: 4714: 4698: 4665: 4645: 4634: 4618: 4607: 4409: 4398: 4382: 4371: 4355: 4349: 3972: 3905: 3640:{\displaystyle \|\cdot \|_{F}} 3251: 3232: 2595: 2524: 2509: 2381: 2121:{\displaystyle \|\cdot \|_{2}} 1974: 1929: 1489: 1474: 771: 739: 368: 353: 137: 1: 9322:10.1016/S0024-3795(02)00505-0 9287:10.1016/S0024-3795(02)00505-0 8672:linear time-invariant systems 8247:Levenberg-Marquardt algorithm 5208:{\displaystyle i\geq 1,j=k+1} 4482:respectively denote the rank 6784:there is full row rank  3574:We claim that the best rank 3549:singular value decomposition 3048:{\displaystyle Y^{\top }w=0} 2055:We claim that the best rank- 1807:singular value decomposition 599:singular value decomposition 67:principal component analysis 6265:{\displaystyle \|B-A\|_{1}} 3107:{\displaystyle \|w\|_{2}=1} 1223:{\displaystyle \Sigma _{1}} 603:Eckart–Young–Mirsky theorem 445:Natural language processing 9375: 5126:{\displaystyle A'=A-B_{k}} 237:{\displaystyle \|\cdot \|} 87:dynamic mode decomposition 46:. The problem is used for 9359:Mathematical optimization 6487:{\displaystyle m\times n} 5164:{\displaystyle A''=B_{k}} 4577:{\displaystyle i,j\geq 1} 3856:First, note that we have 2337:First, note that we have 1912:{\displaystyle m\times n} 1635:is unique if and only if 1302:{\displaystyle r\times n} 1249:{\displaystyle r\times r} 1196:{\displaystyle m\times r} 803:{\displaystyle m\times m} 430:and the approximation is 9349:Numerical linear algebra 8949:CUR matrix approximation 8257: 7403: 4325:{\displaystyle A=A'+A''} 101:structure specification 79:latent semantic analysis 6591:Using the equivalences 6573:handwriting recognition 6317:{\displaystyle p\geq 1} 4475:{\displaystyle A''_{k}} 3495:{\displaystyle m\leq n} 1886:{\displaystyle \Sigma } 1753:{\displaystyle m\leq n} 939:{\displaystyle \Sigma } 9104:Sarlos, Tamas (2006). 8933: 8885: 8838: 8239: 8219: 8183: 7950: 7930: 7907: 7887: 7725:% check exit condition 7389: 7369: 7337: 7317: 7297: 7277: 7249: 7225: 7195: 7006: 6847: 6726: 6565: 6488: 6462: 6442: 6384: 6318: 6292: 6266: 6227: 6198: 6125: 6099: 5974: 5954: 5934: 5831: 5811: 5784: 5764: 5741: 5707: 5553: 5507: 5436: 5367: 5291: 5209: 5165: 5127: 5083: 5025: 4578: 4546: 4521: 4496: 4476: 4446: 4445:{\displaystyle A'_{k}} 4416: 4326: 4281: 4221: 4142: 4122: 4102: 4082: 4036: 4016: 3935: 3847: 3827: 3807: 3787: 3760: 3730: 3690: 3641: 3608: 3588: 3565: 3538: 3496: 3470: 3414: 3176: 3108: 3069: 3049: 3010: 2920: 2900: 2874: 2854: 2831: 2734: 2714: 2694: 2674: 2628: 2558: 2472: 2409: 2328: 2308: 2288: 2268: 2241: 2211: 2171: 2122: 2089: 2069: 2046: 1981: 1913: 1887: 1863: 1843: 1823: 1796: 1754: 1728: 1675: 1629: 1590: 1403: 1323: 1303: 1277: 1250: 1224: 1197: 1171: 1141: 960: 940: 920: 900: 850: 804: 778: 714: 691: 588: 391: 261: 238: 207: 162: 38:problem, in which the 32:low-rank approximation 9006:10.1093/qmath/11.1.50 8934: 8886: 8839: 8268:d, w, p, tol, maxiter 8240: 8220: 8184: 7951: 7931: 7908: 7888: 7605:% minimization over P 7488:% minimization over L 7414:d, w, p, tol, maxiter 7390: 7370: 7345:biconvex optimization 7338: 7318: 7298: 7278: 7250: 7226: 7224:{\displaystyle I_{r}} 7196: 7007: 6848: 6819: such that  6727: 6698: such that  6566: 6489: 6463: 6443: 6385: 6319: 6293: 6267: 6228: 6199: 6126: 6100: 5975: 5955: 5935: 5832: 5812: 5785: 5765: 5742: 5708: 5554: 5508: 5410: 5347: 5292: 5210: 5171:we conclude that for 5166: 5128: 5084: 5026: 4579: 4547: 4522: 4497: 4477: 4447: 4417: 4327: 4282: 4195: 4143: 4123: 4103: 4083: 4037: 3990: 3909: 3848: 3828: 3808: 3788: 3786:{\displaystyle v_{i}} 3761: 3759:{\displaystyle u_{i}} 3731: 3670: 3642: 3609: 3589: 3566: 3539: 3497: 3471: 3415: 3177: 3109: 3070: 3050: 3011: 2921: 2901: 2875: 2855: 2832: 2735: 2715: 2695: 2675: 2629: 2528: 2448: 2385: 2329: 2309: 2289: 2269: 2267:{\displaystyle v_{i}} 2242: 2240:{\displaystyle u_{i}} 2212: 2151: 2123: 2090: 2070: 2047: 1982: 1914: 1888: 1864: 1844: 1824: 1797: 1755: 1729: 1676: 1630: 1591: 1404: 1324: 1304: 1278: 1276:{\displaystyle V_{1}} 1251: 1225: 1198: 1172: 1170:{\displaystyle U_{1}} 1142: 961: 941: 921: 901: 851: 805: 779: 715: 692: 589: 408:system identification 392: 262: 239: 208: 163: 83:orthogonal regression 48:mathematical modeling 8899: 8851: 8693: 8229: 8218:{\displaystyle f(P)} 8200: 7962: 7940: 7920: 7897: 7877: 7379: 7359: 7349:linear least squares 7327: 7307: 7287: 7267: 7239: 7208: 7022: 6863: 6742: 6598: 6498: 6472: 6452: 6394: 6336: 6302: 6276: 6237: 6211: 6135: 6109: 6001: 5964: 5944: 5841: 5837:we want to minimize 5821: 5801: 5774: 5754: 5720: 5566: 5528: 5307: 5221: 5175: 5137: 5093: 5038: 4590: 4556: 4531: 4506: 4486: 4456: 4426: 4336: 4294: 4155: 4132: 4112: 4092: 4049: 3863: 3837: 3817: 3797: 3770: 3743: 3654: 3618: 3598: 3578: 3555: 3509: 3480: 3439: 3189: 3118: 3079: 3059: 3023: 2933: 2910: 2884: 2864: 2844: 2744: 2724: 2704: 2684: 2641: 2344: 2318: 2298: 2278: 2251: 2224: 2135: 2099: 2079: 2059: 1991: 1926: 1922:matrix with entries 1897: 1877: 1853: 1833: 1813: 1767: 1738: 1697: 1639: 1603: 1419: 1336: 1313: 1287: 1260: 1234: 1207: 1181: 1154: 973: 950: 930: 910: 860: 814: 788: 724: 704: 628: 481: 459:Sylvester structured 275: 251: 222: 175: 105: 27:Mathematical concept 18:Eckart–Young theorem 9354:Dimension reduction 8297:'lsqnonlin' 6291:{\displaystyle p=0} 6226:{\displaystyle p=1} 6124:{\displaystyle p=2} 6070: 5499: 5343: 4945: 4923: 4819: 4797: 4746: 4697: 4545:{\displaystyle A''} 4471: 4441: 4273: 4236: 4191: 4031: 3986: 3970: 3899: 3725: 3406: 3382: 3361: 3331: 3316: 3298: 3271: 3225: 3165: 3135: 2899:{\displaystyle k+1} 2593: 2507: 2444: 2206: 1580: 1556: 1395: 424:Recommender systems 75:total least squares 8990:10.1007/BF02288367 8974:10.1007/BF01449770 8929: 8881: 8834: 8235: 8215: 8179: 7946: 7926: 7903: 7883: 7385: 7365: 7333: 7313: 7293: 7273: 7245: 7221: 7191: 7002: 6843: 6722: 6561: 6484: 6458: 6438: 6380: 6314: 6288: 6262: 6223: 6194: 6121: 6095: 6050: 6044: 5970: 5960:, of rank at most 5950: 5930: 5859: 5827: 5807: 5780: 5760: 5737: 5703: 5549: 5503: 5485: 5329: 5287: 5205: 5161: 5123: 5079: 5021: 5019: 4927: 4905: 4801: 4779: 4728: 4679: 4574: 4542: 4520:{\displaystyle A'} 4517: 4492: 4472: 4459: 4442: 4429: 4412: 4322: 4277: 4259: 4222: 4177: 4138: 4118: 4098: 4078: 4032: 4017: 3956: 3903: 3885: 3843: 3823: 3803: 3783: 3756: 3726: 3711: 3637: 3604: 3584: 3561: 3534: 3492: 3466: 3410: 3386: 3362: 3341: 3317: 3302: 3284: 3257: 3211: 3172: 3145: 3121: 3114:or (equivalently) 3104: 3065: 3045: 3006: 2916: 2896: 2870: 2850: 2827: 2730: 2710: 2690: 2670: 2624: 2579: 2551: 2493: 2470: 2430: 2407: 2324: 2304: 2284: 2264: 2237: 2207: 2192: 2118: 2085: 2065: 2042: 1977: 1909: 1883: 1859: 1839: 1819: 1792: 1750: 1724: 1671: 1625: 1586: 1566: 1536: 1499: 1399: 1381: 1319: 1299: 1273: 1246: 1220: 1193: 1167: 1137: 1128: 1074: 1014: 956: 936: 916: 896: 846: 800: 774: 710: 687: 584: 387: 257: 234: 203: 158: 8917: 8869: 8822: 8805: 8783: 8748: 8738: 8716: 8705: 8699: 8321:'MaxIter' 8238:{\displaystyle P} 8174: 7949:{\displaystyle P} 7929:{\displaystyle L} 7906:{\displaystyle L} 7886:{\displaystyle P} 7388:{\displaystyle L} 7368:{\displaystyle P} 7336:{\displaystyle L} 7316:{\displaystyle P} 7296:{\displaystyle L} 7276:{\displaystyle P} 7248:{\displaystyle r} 7159: 7146: 7131: 7121: 7088: 7051: 7045: 7034: 7028: 6990: 6978: 6968: 6935: 6898: 6886: 6875: 6869: 6834: 6820: 6785: 6763: 6710: 6699: 6670: 6641: 6619: 6461:{\displaystyle A} 6029: 5973:{\displaystyle r} 5953:{\displaystyle B} 5844: 5830:{\displaystyle A} 5810:{\displaystyle W} 5783:{\displaystyle W} 5763:{\displaystyle A} 5726: 5688: 5667: 5657: 5617: 5589: 5578: 5572: 5546: 4884: 4502:approximation to 4495:{\displaystyle k} 4141:{\displaystyle k} 4121:{\displaystyle Y} 4101:{\displaystyle X} 3846:{\displaystyle V} 3826:{\displaystyle U} 3806:{\displaystyle i} 3607:{\displaystyle A} 3594:approximation to 3587:{\displaystyle k} 3564:{\displaystyle A} 3068:{\displaystyle w} 2919:{\displaystyle V} 2873:{\displaystyle k} 2853:{\displaystyle Y} 2733:{\displaystyle k} 2713:{\displaystyle Y} 2693:{\displaystyle X} 2327:{\displaystyle V} 2307:{\displaystyle U} 2287:{\displaystyle i} 2088:{\displaystyle A} 2075:approximation to 2068:{\displaystyle k} 1862:{\displaystyle V} 1842:{\displaystyle U} 1822:{\displaystyle A} 1616: 1581: 1528: 1518: 1486: 1463: 1457: 1441: 1349: 1322:{\displaystyle r} 1087: 959:{\displaystyle V} 919:{\displaystyle U} 713:{\displaystyle D} 568: 543: 536: 526: 504: 493: 487: 439:matrix completion 412:Hankel structured 365: 330: 320: 298: 287: 281: 260:{\displaystyle r} 16:(Redirected from 9366: 9309: 9308: 9306: 9298: 9292: 9291: 9289: 9265: 9259: 9256: 9250: 9249: 9247: 9231: 9225: 9224: 9216: 9210: 9209: 9207: 9191: 9185: 9184: 9182: 9166: 9160: 9159: 9157: 9141: 9135: 9134: 9132: 9116: 9110: 9109: 9101: 9095: 9094: 9092: 9076: 9070: 9069: 9067: 9051: 9045: 9044: 9034: 9028: 9027: 9025: 9014: 9008: 8998: 8992: 8982: 8976: 8966: 8938: 8936: 8935: 8930: 8919: 8918: 8910: 8890: 8888: 8887: 8882: 8871: 8870: 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414:. 385:. 382:r 374:) 369:) 360:p 354:( 349:S 342:( 315:p 306:p 293:p 267:, 255:r 213:, 197:p 193:n 187:R 179:p 168:, 154:n 148:m 143:R 131:p 127:n 121:R 116:: 111:S 20:)

Index

Eckart–Young theorem
minimization
cost function
rank
mathematical modeling
data compression
non-negativity
Hankel structure
principal component analysis
factor analysis
total least squares
latent semantic analysis
orthogonal regression
dynamic mode decomposition
norm
system identification
Hankel structured
Machine learning
Recommender systems
missing values
categorical
matrix completion
Natural language processing
nonnegative
Computer algebra
Sylvester structured
Frobenius norm
singular value decomposition
Erhard Schmidt
C. Eckart

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