The aim of this work is to develop a fast algorithm for approximating the matrix function $f(A)$ of a square matrix $A$ that is symmetric and has hierarchically semiseparable (HSS) structure. Appearing in a wide variety of applications, often in the context of discretized (fractional) differential and integral operators, HSS matrices have a number of attractive properties facilitating the development of fast algorithms. In this work, we use an unconventional telescopic decomposition of $A$, inspired by recent work of Levitt and Martinsson on approximating an HSS matrix from matrix-vector products with a few random vectors. This telescopic decomposition allows us to approximate $f(A)$ by recursively performing low-rank updates with rational Krylov subspaces while keeping the size of the matrices involved in the rational Krylov subspaces small. In particular, no large-scale linear system needs to be solved, which yields favorable complexity estimates and reduced execution times compared to existing methods, including an existing divide-and-conquer strategy. The advantages of our newly proposed algorithms are demonstrated for a number of examples from the literature, featuring the exponential, the inverse square root, and the sign function of a matrix. Even for matrix inversion, our algorithm exhibits superior performance, even if not specifically designed for this task.


翻译:本研究旨在开发一种快速算法,用于近似计算对称且具有层次半可分离(HSS)结构的方阵$A$的矩阵函数$f(A)$。HSS矩阵广泛出现在各类应用场景中,常与离散化(分数阶)微分和积分算子相关,其诸多优良特性为快速算法的开发提供了便利。受Levitt与Martinsson近期关于通过少量随机向量进行矩阵-向量乘积来近似HSS矩阵的研究启发,本文采用一种非传统的 telescopic 分解方法。该分解允许我们通过有理Krylov子空间递归执行低秩更新来近似$f(A)$,同时确保有理Krylov子空间涉及的矩阵规模保持较小。特别地,该方法无需求解大规模线性系统,因而相较于现有方法(包括现有分治策略)具有更优的复杂度估计与更短的计算时间。通过文献中多个算例验证,本算法在矩阵指数、逆平方根及符号函数计算中均展现出优势。即便针对非专门设计的矩阵求逆任务,本算法仍表现出卓越性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
Exploring Visual Relationship for Image Captioning
Arxiv
15+阅读 · 2018年9月19日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
VIP会员
最新内容
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
0+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
14+阅读 · 6月10日
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
8+阅读 · 6月10日
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
4+阅读 · 6月10日
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
9+阅读 · 6月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员