Lucrarea lui Khatri - Rao

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 14 aprilie 2022; verificările necesită 4 modificări .

Produsul Khatri-Rao  este operația de multiplicare a matricei definită prin expresia [1] [2] :

în care blocul --lea este produsul Kronecker al blocurilor corespunzătoare și cu condiția ca numărul de rânduri și coloane ale ambelor matrice să fie egal. Dimensiunea lucrării este .

De exemplu, dacă matricele și au o dimensiune a blocului de 2 × 2 :

și ,

apoi:

.

Produs coloane Khatri-Rao

Produsul coloanei Kronecker a două matrici este numit și produsul Khatri-Rao. Acest produs presupune că blocurile de matrice sunt coloanele lor. În acest caz , și pentru fiecare : . Rezultatul produsului este o matrice -, fiecare coloană a căreia se obține ca produs Kronecker al coloanelor corespunzătoare ale matricelor și . De exemplu, pentru:

și

produs coloană:

.

Versiunea coloană a produsului Khatri-Rao este utilizată în algebra liniară pentru prelucrarea datelor analitice [3] și optimizarea soluțiilor la problema inversării matricei diagonale [4] [5] ; în 1996, s-a propus să fie utilizat în descrierea problemei estimării în comun a unghiului de sosire și a timpului de întârziere al semnalelor într-o rețea de antene digitale [6] , precum și pentru a descrie răspunsul unui radar cu 4 coordonate [ 6]. 7] .

Produsul final

Există un concept alternativ al produsului de matrice, care, spre deosebire de versiunea pe coloană, utilizează împărțirea matricelor în rânduri [8]  — produsul de divizare a feței [7] [ 9] [ 10] sau produsul transpus Khatri- Rao ( Transpus în engleză  produsul Khatri-Rao ) [11] . Acest tip de înmulțire a matricei se bazează pe produsul rând Kronecker a două sau mai multe matrice cu același număr de rânduri. De exemplu, pentru:  

și

se poate scrie [7] :

.

Proprietăți de bază

Transpunere (1996 [7] [9] [12] ):

,

Comutativitate și operație asociativă [7] [9] [12] :

unde , și sunt matrici și este un scalar,

, [12] unde este un vector cu numărul de elemente egal cu numărul de rânduri ale matricei ,

Proprietatea produsului mixt (1997 [12] ):

, [10] , [11] [13 ] [14] ,

unde denotă produsul Hadamard .

De asemenea, sunt îndeplinite următoarele proprietăți:

unde este matricea transformării Fourier discrete , este simbolul de convoluție vectorială (identitatea rezultă din proprietățile schiței de referință [17] ),

unde este un vector format din elementele diagonale ale matricei , este operația de formare a unui vector dintr-o matrice prin plasarea coloanelor sale una sub alta.

Proprietatea de absorbție a produsului Kronecker:

[10] [13] , ,

unde și sunt vectori de dimensiune consistentă.

De exemplu [16] :


Teorema [16]

Dacă , unde sunt incluziuni independente ale matricei care conține rânduri astfel încât și , apoi cu probabilitate pentru orice vector dacă numărul de rânduri .

În special, dacă elementele matricei sunt numere , se poate obține , care, pentru valori mici, este în concordanță cu valoarea limită a lemei distribuției Johnson-Lindenstrauss .

Blocați produsul final

Pentru matrice bloc cu același număr de coloane în blocurile respective:

și

conform definiției [7] , produsul final al blocului poate fi scris astfel:

.

În mod similar, pentru un produs final transpus bloc (sau un produs coloană bloc Khatri - Rao ) din două matrice cu același număr de coloane în blocurile corespunzătoare, următoarea relație este valabilă [7] :

.

Proprietatea de transpunere se realizează [13] :

Aplicații

Familia produselor finale ale matricelor este utilizată în teoria tensor-matrice a rețelelor de antene digitale pentru sisteme de inginerie radio [11] .

Produsul final a devenit larg răspândit în sistemele de învățare automată, procesarea statistică a datelor mari [16] . Vă permite să reduceți cantitatea de calcule atunci când implementați metoda de reducere a dimensionalității datelor, numită schiță tensorală [16] , precum și transformarea rapidă Johnson-Lindenstrauss [16] . În acest caz, se realizează tranziția de la matricea de proiectare originală la produsul Hadamard , care operează cu matrici de o dimensiune mai mică. Eroarea de aproximare a datelor cu dimensiuni mari bazate pe produsul final al matricelor corespunde lemei de distorsiune mică [16] [20] . În acest context , ideea produsului final poate fi folosită pentru a rezolva problema de confidențialitate diferențială [ 15 ] .  În plus, calcule similare au fost aplicate pentru a forma tensori de co-ocurență în procesarea limbajului natural și hipergrafe de similaritate de imagini [21] .

Produsul final este utilizat pentru aproximarea P-spline [18] , construind modele liniare generalizate de matrice de date (GLAM) în timpul prelucrării lor statistice [19] și poate fi folosit pentru a implementa eficient metoda nucleului de învățare automată , precum și pentru a studia interacțiunea genotipurilor cu mediul. [22]

Vezi și

Note

  1. Khatri CG, CR Rao . Soluții la unele ecuații funcționale și aplicațiile lor la caracterizarea distribuțiilor de probabilitate  (engleză)  // Sankhya  : journal. - 1968. - Vol. 30 . - P. 167-180 . Arhivat din original pe 23 octombrie 2010.
  2. Zhang X; Yang Z & Cao C. (2002), Inegalități care implică produse Khatri–Rao ale matricilor semidefinite pozitive, Note electronice de matematică aplicată vol. 2: 117–124 
  3. Vezi, de exemplu, HD Macedo și JN Oliveira. O abordare algebrică liniară a OLAP . Formal Aspects of Computing, 27(2):283-307, 2015.
  4. Lev-Ari, Hanoch. Soluție eficientă a ecuațiilor matriceale liniare cu aplicare la procesarea matricei de antene multistatice // Comunicații în informații și sisteme. - 2005. - 1 ianuarie ( vol. 05 , nr. 1 ). - S. 123-130 . — ISSN 1526-7555 . - doi : 10.4310/CIS.2005.v5.n1.a5 .
  5. Masiero, B.; Nascimento, VH Revizuirea Transformării matricei Kronecker  // Litere de procesare a semnalului IEEE. - 2017. - 1 mai ( vol. 24 , nr. 5 ). - S. 525-529 . — ISSN 1070-9908 . - doi : 10.1109/LSP.2017.2674969 . - Cod biblic .
  6. Vanderveen, MC, Ng, BC, Papadias, CB și Paulraj, A. (n.d.). Estimarea unghiului comun și a întârzierii (JADE) pentru semnale în medii cu mai multe căi . Înregistrarea conferinței celei de-a 30-a Conferințe Asilomar privind semnalele, sistemele și calculatoarele. — DOI:10.1109/acssc.1996.599145
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, VI (27 decembrie 1996). „Produse finale în matrice în aplicații radar” (PDF) . Radioelectronică și sisteme de comunicații.– 1998, voi. 41; Numărul 3 : 50-53. Arhivat (PDF) din original pe 27.07.2020 . Consultat 2020-07-27 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  8. Anna Esteve, Eva Boj & Josep Fortiana (2009): Interaction Terms in Distance-Based Regression, Communications in Statistics - Theory and Methods, 38:19, P. 3501 [1] Arhivat 26 aprilie 2021 la Wayback Machine
  9. 1 2 3 Slyusar, VI Model analitic al rețelei de antene digitale pe baza produselor matricei de divizare a feței   // Proc . ICATT-97, Kiev: jurnal. - 1997. - 20 mai. - P. 108-109 .
  10. 1 2 3 4 Slyusar, VI (1999). „O familie de produse faciale ale matricelor și proprietățile sale” (PDF) . Cybernetics and Systems Analysis C/C of Cybernetika I Sistemnyi Analiz . 35 (3): 379-384. DOI : 10.1007/BF02733426 . Arhivat din original (PDF) pe 25 ianuarie 2020 . Preluat la 12 iulie 2020 .
  11. 1 2 3 4 Minochkin A. I., Rudakov V. I., Slyusar V. I. Fundamentele cercetării militare-tehnice. Teorie și aplicații. Volum. 2. Sinteza mijloacelor de suport informaţional pentru arme şi echipamente militare // Ed. A. P. Kovtunenko. - Kiev: „Granmna”. - 2012. C. 7 - 98; 354 - 521 (2012). Preluat la 12 iulie 2020. Arhivat din original la 25 ianuarie 2020.
  12. 1 2 3 4 5 6 7 Slyusar, VI (15.09.1997). „Noi operațiuni de produs matrice pentru aplicații de radare” (PDF) . Proc. Probleme directe și inverse ale teoriei undelor electromagnetice și acustice (DIPED-97), Lviv. : 73-74. Arhivat (PDF) din original pe 25.01.2020 . Accesat 2020-07-12 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  13. 1 2 3 4 5 Vadym Slyusar. Operații noi Matrix pentru DSP (Prelegere). Aprilie 1999. - DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1
  14. 1 2 C. Radhakrishna Rao . Estimarea variațiilor heteroscedastice în modele liniare.// Jurnalul Asociației Americane de Statistică, voi. 65, nr. 329 (mar. 1970), p. 161-172
  15. 1 2 Kasiviswanathan, Shiva Prasad, et al. „Prețul lansării private a tabelelor de urgență și spectrele matricelor aleatorii cu rânduri corelate”. Proceedings of the fourty-second ACM simpozion on theory of computing. 2010.
  16. 1 2 3 4 5 6 7 Ahle, Thomas; Knudsen, Jakob Schiță tensorului aproape optimă . [ [2] ] (3 septembrie 2019). Preluat la 11 iulie 2020. Arhivat din original la 14 iulie 2020.
  17. Ninh, Pham; Rasmus, Pagh (2013). Nuclee polinomiale rapide și scalabile prin hărți de caracteristici explicite . Conferința internațională SIGKDD privind descoperirea cunoștințelor și extragerea datelor. Asociația pentru Mașini de Calcul. DOI : 10.1145/2487575.2487591 .
  18. 12 Eilers , Paul H.C.; Marx, Brian D. (2003). „Calibrare multivariată cu interacțiunea temperaturii folosind regresia semnalului penalizat bidimensional”. Chimiometrie și sisteme inteligente de laborator . 66 (2): 159&ndash, 174. DOI : 10.1016/S0169-7439(03)00029-7 .
  19. 1 2 3 Currie, ID; Durban, M.; Eilers, PHC (2006). „Modele de matrice liniare generalizate cu aplicații la netezire multidimensională”. Jurnalul Societății Regale de Statistică . 68 (2): 259&ndash, 280. DOI : 10.1111/j.1467-9868.2006.00543.x .
  20. Ahle, Thomas; Kapralov, Michael; Knudsen, Iacov; Pagh, Rasmus; Velingker, Ameya; Woodruff, David; Zandieh, Amir (2020). Schița neglijabilă a nucleelor ​​polinomiale de grad înalt . Simpozion ACM-SIAM despre algoritmi discreti. Asociația pentru Mașini de Calcul. DOI : 10.1137/1.9781611975994.9 .
  21. Bryan Bischoff. Tensori de co-ocurență de ordin superior pentru hipergrafe prin divizarea feței. Publicat 15 februarie 2020, Matematică, Informatică, ArXiv Arhivat 25 noiembrie 2020 la Wayback Machine
  22. Johannes WR Martini, Jose Crossa, Fernando H. Toledo, Jaime Cuevas. Pe produsele Hadamard și Kronecker în structuri de covarianță pentru interacțiunea genotip x mediu.//Genomul plantelor. 2020;13:e20033. Pagina 5. [3]

Literatură