有效地存储一个大但低秩的矩阵

Posted 2023-02-16

【中文标题】有效地存储一个大但低秩的矩阵

【英文标题】：Storing a large but low-rank matrix efficiently

【发布时间】：2013-03-02 05:03:54

【问题描述】：

我知道 R 中有一些包可以有效地存储稀疏矩阵。还有一种方法可以有效地存储低秩矩阵吗？例如：

A <- matrix(rnorm(1e6), nrow=1e5, ncol=1e1)
B <- A %*% t(A)

现在，B 太大而无法存储在内存中，但它的排名较低。有没有什么方法可以有效地构造和存储B，以便即时执行一些基本的读取方法（rowSums、colSums 等），以换取 CPU 或内存？

【问题讨论】：

有趣的问题 - 它有哪些应用程序？ （低秩矩阵一般出现在哪里？）

@DavidRobinson：例如，在某些optimization algorithms 中，这些矩阵被用作大型密集矩阵的近似值（太大而无法计算，甚至无法存储）。

如果你愿意近似B，你能不能用低维近似，例如使用 SVD 并保留 SVD 的前 n 个维度？不确定这是否是您想要的，但可能值得考虑。

虽然它没有回答您的问题，但以下内容似乎有些相关：mathoverflow.net/questions/92328/low-rank-matrix-factorization

是的，我同意上述评论。考虑它，它会变得稀疏。

【参考方案1】：

这是另一种方法，虽然我想念这种方法对于大型矩阵的效率有多高：

如果秩低，则表示矩阵包含许多不相关的行，这些行是其他行的线性组合。如果矩阵表示一个线性方程组，则可以设计一种算法，依次删除这些线。

要检查一条线是否不相关，请检查没有该线的矩阵的秩是否仍然相同。矩阵秩的计算见this和that的答案。

【讨论】：

这听起来像是一种非常昂贵的保理方式:-)

抱歉，这是一个非常糟糕的想法，仅适用于具有复制行的简单案例。事实上，生成一个没有重复行或列的秩为 1 的矩阵是很简单的。因此选择随机行向量 U 和 V，然后 U'*V 的秩为 1。

【参考方案2】：

您的问题已经是答案：要有效地存储如此低的秩矩阵，您需要创建一个包含这两个因素的数据结构。如果需要矩阵向量乘法，可以使用因子的矩阵向量乘积从右到左进行。

这种策略和数据结构的一个应用可以在有限内存 Broyden 或 BFGS 准牛顿方法的实现中找到。