Low-rank approximation of a matrix function, $f(A)$, is an important task in computational mathematics. Most methods require direct access to $f(A)$, which is often considerably more expensive than accessing $A$. Persson and Kressner (SIMAX 2023) avoid this issue for symmetric positive semidefinite matrices by proposing funNystr\"om, which first constructs a Nystr\"om approximation to $A$ using subspace iteration, and then uses the approximation to directly obtain a low-rank approximation for $f(A)$. They prove that the method yields a near-optimal approximation whenever $f$ is a continuous operator monotone function with $f(0) = 0$. We significantly generalize the results of Persson and Kressner beyond subspace iteration. We show that if $\widehat{A}$ is a near-optimal low-rank Nystr\"om approximation to $A$ then $f(\widehat{A})$ is a near-optimal low-rank approximation to $f(A)$, independently of how $\widehat{A}$ is computed. Further, we show sufficient conditions for a basis $Q$ to produce a near-optimal Nystr\"om approximation $\widehat{A} = AQ(Q^T AQ)^{\dagger} Q^T A$. We use these results to establish that many common low-rank approximation methods produce near-optimal Nystr\"om approximations to $A$ and therefore to $f(A)$.


翻译:矩阵函数 $f(A)$ 的低秩逼近是计算数学中的一项重要任务。大多数方法需要直接访问 $f(A)$,而这通常比访问 $A$ 昂贵得多。Persson 和 Kressner (SIMAX 2023) 针对对称半正定矩阵通过提出 funNystr\"om 方法避免了此问题,该方法首先使用子空间迭代构造 $A$ 的 Nystr\"om 逼近,然后直接利用该逼近获得 $f(A)$ 的低秩逼近。他们证明,当 $f$ 是满足 $f(0) = 0$ 的连续算子单调函数时,该方法可产生近乎最优的逼近。我们极大地推广了 Persson 和 Kressner 的结果,使其不再局限于子空间迭代。我们证明,如果 $\widehat{A}$ 是 $A$ 的一个近乎最优的低秩 Nystr\"om 逼近,那么 $f(\widehat{A})$ 就是 $f(A)$ 的一个近乎最优的低秩逼近,且这与 $\widehat{A}$ 的具体计算方式无关。此外,我们给出了基底 $Q$ 能产生近乎最优 Nystr\"om 逼近 $\widehat{A} = AQ(Q^T AQ)^{\dagger} Q^T A$ 的充分条件。利用这些结果,我们证实了许多常见的低秩逼近方法都能为 $A$ 并因此为 $f(A)$ 产生近乎最优的 Nystr\"om 逼近。

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