In this paper, we propose a new low-rank matrix factorization model dubbed bounded simplex-structured matrix factorization (BSSMF). Given an input matrix $X$ and a factorization rank $r$, BSSMF looks for a matrix $W$ with $r$ columns and a matrix $H$ with $r$ rows such that $X \approx WH$ where the entries in each column of $W$ are bounded, that is, they belong to given intervals, and the columns of $H$ belong to the probability simplex, that is, $H$ is column stochastic. BSSMF generalizes nonnegative matrix factorization (NMF), and simplex-structured matrix factorization (SSMF). BSSMF is particularly well suited when the entries of the input matrix $X$ belong to a given interval; for example when the rows of $X$ represent images, or $X$ is a rating matrix such as in the Netflix and MovieLens datasets where the entries of $X$ belong to the interval $[1,5]$. The simplex-structured matrix $H$ not only leads to an easily understandable decomposition providing a soft clustering of the columns of $X$, but implies that the entries of each column of $WH$ belong to the same intervals as the columns of $W$. In this paper, we first propose a fast algorithm for BSSMF, even in the presence of missing data in $X$. Then we provide identifiability conditions for BSSMF, that is, we provide conditions under which BSSMF admits a unique decomposition, up to trivial ambiguities. Finally, we illustrate the effectiveness of BSSMF on two applications: extraction of features in a set of images, and the matrix completion problem for recommender systems.


翻译:本文提出一种名为有界单纯形结构矩阵分解(BSSMF)的新型低秩矩阵分解模型。给定输入矩阵$X$和分解秩$r$,BSSMF旨在寻找具有$r$列的矩阵$W$和具有$r$行的矩阵$H$,使得$X \approx WH$,其中$W$每列的元素有界,即它们属于给定区间,而$H$的列属于概率单纯形,即$H$为列随机矩阵。BSSMF推广了非负矩阵分解(NMF)和单纯形结构矩阵分解(SSMF)。当输入矩阵$X$的元素属于给定区间时,BSSMF尤为适用;例如$X$的行代表图像,或$X$为评分矩阵(如Netflix和MovieLens数据集中$X$的元素属于区间$[1,5]$)。具有单纯形结构的矩阵$H$不仅提供了易于理解的分解结果,实现了对$X$列的软聚类,还隐含$WH$每列的元素与$W$列同属于相同区间。本文首先提出BSSMF的快速算法,即使$X$存在缺失数据时仍可有效求解。随后给出BSSMF的可辨识性条件,即该分解在忽略平凡模糊性时具有唯一解的条件。最后,我们通过两个应用实例验证BSSMF的有效性:图像集特征提取和推荐系统的矩阵补全问题。

0
下载
关闭预览

相关内容

【2023新书】随机模型基础,815页pdf
专知会员服务
105+阅读 · 2023年5月10日
【ICDM 2022教程】图挖掘中的公平性:度量、算法和应用
专知会员服务
28+阅读 · 2022年12月26日
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
【干货书】开放数据结构,Open Data Structures,337页pdf
专知会员服务
19+阅读 · 2021年9月17日
专知会员服务
78+阅读 · 2021年3月16日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
从重参数的角度看离散概率分布的构建
PaperWeekly
0+阅读 · 2022年5月28日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28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
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18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
时序异常检测算法概览
论智
29+阅读 · 2018年8月30日
笔记 | Sentiment Analysis
黑龙江大学自然语言处理实验室
10+阅读 · 2018年5月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月19日
Arxiv
54+阅读 · 2022年1月1日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关资讯
从重参数的角度看离散概率分布的构建
PaperWeekly
0+阅读 · 2022年5月28日
图机器学习 2.2-2.4 Properties of Networks, Random Graph
图与推荐
10+阅读 · 2020年3月28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
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18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
时序异常检测算法概览
论智
29+阅读 · 2018年8月30日
笔记 | Sentiment Analysis
黑龙江大学自然语言处理实验室
10+阅读 · 2018年5月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
相关基金
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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员