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计算机科学 > 数据结构与算法

arXiv:2507.11724 (cs)
[提交于 2025年7月15日 ]

标题: 接近求解具有低秩结构的密集线性系统的最优性

标题: Approaching Optimality for Solving Dense Linear Systems with Low-Rank Structure

Authors:Michał Dereziński, Aaron Sidford
摘要: 我们为求解线性系统和回归问题提供了新的高精度随机算法,这些系统和问题除了$k$个大的奇异值外都是良态的。 对于求解这样的$d \times d$正定系统,我们的算法以高概率成功。 运行时间为$\tilde O(d^2 + k^\omega)$。 对于在矩阵$\mathbf{A} \in \mathbb{R}^{n \times d}$中求解此类回归问题,我们的方法以高概率成功。 并且在时间$\tilde O(\mathrm{nnz}(\mathbf{A}) + d^2 + k^\omega)$运行,其中$\omega$是矩阵乘法指数,$\mathrm{nnz}(\mathbf{A})$是$\mathbf{A}$中非零项的数量。我们的方法在密集输入下几乎达到这些问题的自然复杂度限制,并改进了先前方法中的一种权衡,这些方法对于$d\times d$系统的运行时间要么是$\tilde O(d^{2.065}+k^\omega)$,要么是$\tilde O(d^2 + dk^{\omega-1})$。 此外,我们展示了如何在所有但$k$个奇异值具有适当有界广义均值的较弱假设下获得这些运行时间。 因此,我们给出了第一个几乎线性时间算法,用于计算任意稠密矩阵的核范数的乘法近似值。 我们的算法基于三个一般的递归预处理框架,其中矩阵抽样和低秩更新公式被精心调整以适应问题的结构。
摘要: We provide new high-accuracy randomized algorithms for solving linear systems and regression problems that are well-conditioned except for $k$ large singular values. For solving such $d \times d$ positive definite system our algorithms succeed whp. and run in time $\tilde O(d^2 + k^\omega)$. For solving such regression problems in a matrix $\mathbf{A} \in \mathbb{R}^{n \times d}$ our methods succeed whp. and run in time $\tilde O(\mathrm{nnz}(\mathbf{A}) + d^2 + k^\omega)$ where $\omega$ is the matrix multiplication exponent and $\mathrm{nnz}(\mathbf{A})$ is the number of non-zeros in $\mathbf{A}$. Our methods nearly-match a natural complexity limit under dense inputs for these problems and improve upon a trade-off in prior approaches that obtain running times of either $\tilde O(d^{2.065}+k^\omega)$ or $\tilde O(d^2 + dk^{\omega-1})$ for $d\times d$ systems. Moreover, we show how to obtain these running times even under the weaker assumption that all but $k$ of the singular values have a suitably bounded generalized mean. Consequently, we give the first nearly-linear time algorithm for computing a multiplicative approximation to the nuclear norm of an arbitrary dense matrix. Our algorithms are built on three general recursive preconditioning frameworks, where matrix sketching and low-rank update formulas are carefully tailored to the problems' structure.
主题: 数据结构与算法 (cs.DS) ; 数值分析 (math.NA); 优化与控制 (math.OC); 机器学习 (stat.ML)
引用方式: arXiv:2507.11724 [cs.DS]
  (或者 arXiv:2507.11724v1 [cs.DS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.11724
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Michał Dereziński [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 7 月 15 日 20:48:30 UTC (51 KB)
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