计算矩阵的特征值有多昂贵？

Posted 2023-02-14

【中文标题】计算矩阵的特征值有多昂贵？

【英文标题】：How expensive is it to compute the eigenvalues of a matrix?

【发布时间】：2010-10-17 08:46:26

【问题描述】：

最佳算法的复杂度是多少？

如果我有一个 1000 x 1000 的矩阵，实际需要多长时间？我认为如果矩阵稀疏会有帮助？

是否存在特征值计算不会终止的情况？

在R 中，我可以计算特征值，如下面的玩具示例：

m<-matrix( c(13,2, 5,4), ncol=2, nrow=2 )
eigen(m, only.values=1)
$values
[1] 14  3

有人知道它使用什么算法吗？

还有其他计算特征值的（开源）包吗？

【问题讨论】：

如果我没记错的话，Google PageRank 的魔力是（至少部分）巨大的特征值计算。很高兴看到他们是如何做到的。我们在数值分析课程中使用 MATLAB 进行幂迭代或 QR 分解。

Google Pagerank 计算对应于一个非常具体的特征值问题：计算与随机矩阵的主要单位特征值相关的特征向量。在这种情况下，会使用一种专门的算法（可能基于幂方法的一些变体）。

【参考方案1】：

特征值计算的大多数算法都可以扩展到 big-Oh(n^3)，其中 n 是（对称和方形）矩阵的行/列维度。

要了解迄今为止最佳算法的时间复杂度，您必须参考科学计算/数值方法中的最新研究论文。

但即使您假设最坏的情况，对于 1000x1000 矩阵，您仍然需要至少 1000^3 次操作。

R 默认使用 LAPACK 例程的（DSYEVR、DGEEV、ZHEEV 和 ZGEEV）实现。但是，您可以指定 EISPACK=TRUE 作为参数来使用 EISPACK 的 RS、RG、CH 和 CG 例程。

用于特征值计算的最流行和最优秀的开源包是 LAPACK 和 EISPACK。

【讨论】：

EISPACK 现在已失效并被忽略。见stat.ethz.ch/R-manual/R-devel/library/base/html/eigen.html

【参考方案2】：

对于大矩阵，您通常不需要所有特征值。你只希望前几个做（比如说）降维。

规范算法是在 ARPACK 中实现的 Arnoldi-Lanczos 迭代算法：

www.caam.rice.edu/software/ARPACK/

eigs中有matlab接口：

http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/techdoc/index.html?/access/helpdesk/help/techdoc/ref/eigs.html

eigs(A,k) and eigs(A,B,k) return the k largest magnitude eigenvalues.

现在还有一个 R 接口：

http://igraph.sourceforge.net/doc-0.5/R/arpack.html

【参考方案3】：

我认为如果矩阵是 稀疏？

是的，有些算法在稀疏矩阵上表现良好。

例如：http://www.cise.ufl.edu/research/sparse/

【讨论】：

是否有寻找特征值的算法？我搜索了一会儿，什么都没有……

@Marak：请参阅 Lanczos、Jacobi-Davidson 和其他迭代方法，如果您只对特征值的子集感兴趣，这些方法会特别有效。

【参考方案4】：

如果在实践中可能需要多长时间 我有一个 1000x1000 的矩阵？

MATLAB（基于 LAPACK）在双核 1.83 GHz 机器上在大约 5 秒内计算 1000x1000 随机数的所有特征值。当矩阵是对称的时，计算可以明显更快地完成，并且只需要大约 1 秒。

【参考方案5】：

我会看看Eigenvalue algorithms，它链接到许多不同的方法。它们都有不同的特征，希望有一个适合您的目的。

【参考方案6】：

您可以使用来自CRAN 的GuessCompx 包来估计您的特征值计算的经验复杂度并预测完整的运行时间（尽管在您的示例中它仍然很小）。您需要一个小辅助函数，因为拟合过程仅对行进行子集化，因此您必须使矩阵为正方形：

library(GuessCompx)
m = matrix(rnorm(1e6), ncol=1000, nrow=1000)
# custom function  to subset the increasing-size matrix to a square one:
eigen. = function(m) eigen(as.matrix(m[, 1:nrow(m)]))
CompEst(m, eigen.)
#### $`TIME COMPLEXITY RESULTS`
#### $`TIME COMPLEXITY RESULTS`$best.model
#### [1] "CUBIC"
#### $`TIME COMPLEXITY RESULTS`$computation.time.on.full.dataset
#### [1] "5.23S"
#### $`TIME COMPLEXITY RESULTS`$p.value.model.significance
#### [1] 1.784406e-34

您会得到 时间的三次复杂度，以及 R 基础 eigen() 函数的 Nlog(N) 内存复杂度。运行整个计算需要 5.2 秒和 37Mb。

【参考方案7】：

Apache Mahout 是一个基于 map-reduce 的开源框架（即它适用于非常大的矩阵）。请注意，对于很多矩阵的东西，问题不是“什么是 big-o 运行时”，而是“它的可并行性如何？” Mahout says 他们使用 Lanczos，它基本上可以在您愿意提供的任意数量的处理器上并行运行。

【参考方案8】：

它使用 QR 算法。参见 Wilkinson, J. H. (1965) 代数特征值问题。克拉伦登出版社，牛津。它没有利用稀疏性。