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几种矩阵完备算法的研究与实现_矩阵分析仿真大作业
几种矩阵完备算法的研究与实现
——《矩阵分析》课程仿真作业报告
刘鹏飞
电⼦系 2016210858
摘要
矩阵完备是指从⼀⼩部分已知的矩阵元素中恢复出整个矩阵。它在计算
机视觉、推荐系统以及社交⽹络等⽅⾯具有⼴泛的应⽤。矩阵恢复可以通过
求解⼀个与核范数有关的凸优化问题来实现。由此诞⽣了许多矩阵恢复的算
法,⽐如FPC 算法等。FPC 算法虽然实现简单,但其迭代速度较慢。在此基
础上,APG 算法经过改进,能够提升迭代速度。但最⼩化核范数并不是求解
矩阵完备问题的唯⼀⽅法,其中OptSpace 算法构造了⼀个在流形上的优化问
题,相⽐于前两种算法能够以更⾼的精度恢复出原始矩阵。本⽂主要总结了
FPC、APG 和OptSpace 三种算法的步骤。特别地,对于OptSpace 算法,本
⽂提出了求解其中两个⼦优化问题的具体算法。最后,本⽂通过仿真实验和理
论分析⽐较了三种算法的特点,并给出了 OptSpace 算法的精度⾼于APG 算
法的解释。
关键词:矩阵完备,核范数,FPC ,APG ,OptSpace
1 介绍
1.1 矩阵完备及其算法综述
矩阵完备是指从⼀⼩部分已知的矩阵元素中恢复出整个矩阵。它在计算机视
觉、推荐系统以及社交⽹络等⽅⾯具有⼴泛的应⽤。矩阵完备可以描述成这样⼀
个问题:对于⼀个 的矩阵 ,其秩为 ,我们只有对 中的部分采样,记
报告中所涉及到的仿真代码可在 /s/1jHRcY8m 下载
1
1 介绍 2
这些采样位置组成的集合为 Ω ,那么是否有可能从已知的部分元素中恢复出整个
矩阵 。假如 为低秩矩阵,并且已知的元素⾜够多并且⾜够均匀地分布在整
个矩阵中,那么我们可以通过解如下优化问题来恢复出原始矩阵 [1]:
min rank
s.t. Ω (1-1)
但是,问题 (1-1) 是⼀个 NP 难的⾮凸问题。在⼀定条件下,问题 (1-1) 可以
转化成⼀个最⼩化核范数的问题。对于矩阵 , 的核范数定义为其奇异值
之和,即
min
∥ ∥ ∑ (1-2)
其中, 表⽰ 第 ⼤的奇异值。问题 (1-1) 可以转化成:
min ∥ ∥
s.t. Ω (1-3)
对于 (1-3) 中带等式约束的问题,进⼀步地,可以将它凸松弛成⼀个⽆约束的
优化问题 [2][3][4]:
min ∥ ∥ ∥ ∥ (1-4)
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