A general, {\em rectangular} kernel matrix may be defined as $K_{ij} = \kappa(x_i,y_j)$ where $\kappa(x,y)$ is a kernel function and where $X=\{x_i\}_{i=1}^m$ and $Y=\{y_i\}_{i=1}^n$ are two sets of points. In this paper, we seek a low-rank approximation to a kernel matrix where the sets of points $X$ and $Y$ are large and are not well-separated (e.g., the points in $X$ and $Y$ may be ``intermingled''). Such rectangular kernel matrices may arise, for example, in Gaussian process regression where $X$ corresponds to the training data and $Y$ corresponds to the test data. In this case, the points are often high-dimensional. Since the point sets are large, we must exploit the fact that the matrix arises from a kernel function, and avoid forming the matrix, and thus ruling out most algebraic techniques. In particular, we seek methods that can scale linearly, i.e., with computational complexity $O(m)$ or $O(n)$ for a fixed accuracy or rank. The main idea in this paper is to {\em geometrically} select appropriate subsets of points to construct a low rank approximation. An analysis in this paper guides how this selection should be performed.

Low-rank matrix approximations, such as the truncated singular value decomposition and the rank-revealing QR decomposition, play a central role in data analysis and scientific computing. This work surveys and extends recent research which demonstrates that randomization offers a powerful tool for performing low-rank matrix approximation. These techniques exploit modern computational architectures more fully than classical methods and open the possibility of dealing with truly massive data sets.This paper presents a modular framework for constructing randomized algorithms that compute partial matrix decompositions. These methods use random sampling to identify a subspace that captures most of the action of a matrix. The input matrix is then compressed-either explicitly or implicitly-to this subspace, and the reduced matrix is manipulated deterministically to obtain the desired low-rank factorization. In many cases, this approach beats its classical competitors in terms of accuracy, speed, and robustness. These claims are supported by extensive numerical experiments and a detailed error analysis.The specific benefits of randomized techniques depend on the computational environment. Consider the model problem of finding the k dominant components of the singular value decomposition of an m × n matrix. (i) For a dense input matrix, randomized algorithms require O(mn log(k)) floating-point operations (flops) in contrast with O(mnk) for classical algorithms. (ii) For a sparse input matrix, the flop count matches classical Krylov subspace methods, but the randomized approach is more robust and can easily be reorganized to exploit multi-processor architectures. (iii) For a matrix that is too large to fit in fast memory, the randomized techniques require only a constant number of passes over the data, as opposed to O(k) passes for classical algorithms. In fact, it is sometimes possible to perform matrix approximation with a single pass over the data.

从大型套装中选择不同的和重要的项目，称为地标是机器学习兴趣的问题。作为一个具体示例，为了处理大型训练集，内核方法通常依赖于基于地标的选择或采样的低等级矩阵NYSTR \“OM近似值。在此上下文中，我们提出了一个确定性和随机的自适应算法在培训数据集中选择地标点。这些地标与克尼利克里斯特步函数序列的最小值有关。除了ChristOffel功能和利用分数之间的已知联系，我们的方法也有限决定性点过程（DPP）也是如此解释。即，我们的建设以类似于DPP的方式促进重要地标点之间的多样性。此外，我们解释了我们的随机自适应算法如何影响内核脊回归的准确性。

The affine rank minimization problem consists of finding a matrix of minimum rank that satisfies a given system of linear equality constraints. Such problems have appeared in the literature of a diverse set of fields including system identification and control, Euclidean embedding, and collaborative filtering. Although specific instances can often be solved with specialized algorithms, the general affine rank minimization problem is NP-hard, because it contains vector cardinality minimization as a special case.In this paper, we show that if a certain restricted isometry property holds for the linear transformation defining the constraints, the minimum rank solution can be recovered by solving a convex optimization problem, namely the minimization of the nuclear norm over the given affine space. We present several random ensembles of equations where the restricted isometry property holds with overwhelming probability, provided the codimension of the subspace is Ω(r(m + n) log mn), where m, n are the dimensions of the matrix, and r is its rank.The techniques used in our analysis have strong parallels in the compressed sensing framework. We discuss how affine rank minimization generalizes this pre-existing concept and outline a dictionary relating concepts from cardinality minimization to those of rank minimization. We also discuss several algorithmic approaches to solving the norm minimization relaxations, and illustrate our results with numerical examples.

Kernel matrices, as well as weighted graphs represented by them, are ubiquitous objects in machine learning, statistics and other related fields. The main drawback of using kernel methods (learning and inference using kernel matrices) is efficiency -- given $n$ input points, most kernel-based algorithms need to materialize the full $n \times n$ kernel matrix before performing any subsequent computation, thus incurring $\Omega(n^2)$ runtime. Breaking this quadratic barrier for various problems has therefore, been a subject of extensive research efforts. We break the quadratic barrier and obtain $\textit{subquadratic}$ time algorithms for several fundamental linear-algebraic and graph processing primitives, including approximating the top eigenvalue and eigenvector, spectral sparsification, solving linear systems, local clustering, low-rank approximation, arboricity estimation and counting weighted triangles. We build on the recent Kernel Density Estimation framework, which (after preprocessing in time subquadratic in $n$) can return estimates of row/column sums of the kernel matrix. In particular, we develop efficient reductions from $\textit{weighted vertex}$ and $\textit{weighted edge sampling}$ on kernel graphs, $\textit{simulating random walks}$ on kernel graphs, and $\textit{importance sampling}$ on matrices to Kernel Density Estimation and show that we can generate samples from these distributions in $\textit{sublinear}$ (in the support of the distribution) time. Our reductions are the central ingredient in each of our applications and we believe they may be of independent interest. We empirically demonstrate the efficacy of our algorithms on low-rank approximation (LRA) and spectral sparsification, where we observe a $\textbf{9x}$ decrease in the number of kernel evaluations over baselines for LRA and a $\textbf{41x}$ reduction in the graph size for spectral sparsification.

神经操作员是科学机器学习中一种流行的技术，可以从数据中学习未知物理系统行为的数学模型。当数值求解器不可用或对基础物理学的理解不佳时，神经运算符对于学习与局部微分方程（PDE）相关的解决方案运算符特别有用。在这项工作中，我们试图提供理论基础，以了解学习时间依赖性PDE所需的培训数据量。从任何空间尺寸$ n \ geq 1 $中的抛物线PDE中给定输入输出对，我们得出了学习相关解决方案运算符的第一个理论上严格的方案，该方案采取了带有绿色功能$ g $的卷积的形式。到目前为止，严格学习与时间相关PDE相关的Green的功能一直是科学机器学习领域的主要挑战。通过将$ g $的层次低级结构与随机数字线性代数结合在一起，我们构建了$ g $的近似值，该$ g $实现了$ \ smash {\ smash {\ smashcal {\ mathcal {o}（\ gamma_ \ epsilon^epsilon^{ - 1/2} \ epsilon）}} $在$ l^1 $ -NORM中具有高概率，最多可以使用$ \ smash {\ MathCal {\ Mathcal {o}（\ Epsilon^{ - \ frac {n+2} {2} {2} {2} {2} {2} {2} } \ log（1/\ epsilon））}} $输入输出培训对，其中$ \ gamma_ \ epsilon $是衡量学习$ g $的培训数据集质量的量度，而$ \ epsilon> 0 $就足够了小的。

We investigate the problem of recovering a partially observed high-rank matrix whose columns obey a nonlinear structure such as a union of subspaces, an algebraic variety or grouped in clusters. The recovery problem is formulated as the rank minimization of a nonlinear feature map applied to the original matrix, which is then further approximated by a constrained non-convex optimization problem involving the Grassmann manifold. We propose two sets of algorithms, one arising from Riemannian optimization and the other as an alternating minimization scheme, both of which include first- and second-order variants. Both sets of algorithms have theoretical guarantees. In particular, for the alternating minimization, we establish global convergence and worst-case complexity bounds. Additionally, using the Kurdyka-Lojasiewicz property, we show that the alternating minimization converges to a unique limit point. We provide extensive numerical results for the recovery of union of subspaces and clustering under entry sampling and dense Gaussian sampling. Our methods are competitive with existing approaches and, in particular, high accuracy is achieved in the recovery using Riemannian second-order methods.

张量火车的分解因其高维张量的简洁表示，因此在机器学习和量子物理学中广泛使用，克服了维度的诅咒。交叉近似 - 从近似形式开发用于从一组选定的行和列中表示矩阵，这是一种有效的方法，用于构建来自其少数条目的张量的张量列器分解。虽然张量列车交叉近似在实际应用中取得了显着的性能，但迄今为止缺乏其理论分析，尤其是在近似误差方面的理论分析。据我们所知，现有结果仅提供元素近似精度的保证，这会导致扩展到整个张量时的束缚非常松。在本文中，我们通过提供精确测量和嘈杂测量的整个张量来保证准确性来弥合这一差距。我们的结果说明了选定子观察器的选择如何影响交叉近似的质量，并且模型误差和/或测量误差引起的近似误差可能不会随着张量的顺序而指数增长。这些结果通过数值实验来验证，并且可能对高阶张量的交叉近似值（例如在量子多体状态的描述中遇到的）具有重要意义。

我们提出了一个算法框架，用于近距离矩阵上的量子启发的经典算法，概括了Tang的突破性量子启发算法开始的一系列结果，用于推荐系统[STOC'19]。由量子线性代数算法和gily \'en，su，low和wiebe [stoc'19]的量子奇异值转换（SVT）框架[SVT）的动机[STOC'19]，我们开发了SVT的经典算法合适的量子启发的采样假设。我们的结果提供了令人信服的证据，表明在相应的QRAM数据结构输入模型中，量子SVT不会产生指数量子加速。由于量子SVT框架基本上概括了量子线性代数的所有已知技术，因此我们的结果与先前工作的采样引理相结合，足以概括所有有关取消量子机器学习算法的最新结果。特别是，我们的经典SVT框架恢复并经常改善推荐系统，主成分分析，监督聚类，支持向量机器，低秩回归和半决赛程序解决方案的取消结果。我们还为汉密尔顿低级模拟和判别分析提供了其他取消化结果。我们的改进来自识别量子启发的输入模型的关键功能，该模型是所有先前量子启发的结果的核心：$ \ ell^2 $ -Norm采样可以及时近似于其尺寸近似矩阵产品。我们将所有主要结果减少到这一事实，使我们的简洁，独立和直观。

通常希望通过将其投影到低维子空间来降低大数据集的维度。矩阵草图已成为一种非常有效地执行这种维度降低的强大技术。尽管有关于草图最差的表现的广泛文献，但现有的保证通常与实践中观察到的差异截然不同。我们利用随机矩阵的光谱分析中的最新发展来开发新技术，这些技术为通过素描获得的随机投影矩阵的期望值提供了准确的表达。这些表达式可以用来表征各种常见的机器学习任务中尺寸降低的性能，从低级别近似到迭代随机优化。我们的结果适用于几种流行的草图方法，包括高斯和拉德马赫草图，它们可以根据数据的光谱特性对这些方法进行精确的分析。经验结果表明，我们得出的表达式反映了这些草图方法的实际性能，直到低阶效应甚至不变因素。

我们为特殊神经网络架构，称为运营商复发性神经网络的理论分析，用于近似非线性函数，其输入是线性运算符。这些功能通常在解决方案算法中出现用于逆边值问题的问题。传统的神经网络将输入数据视为向量，因此它们没有有效地捕获与对应于这种逆问题中的数据的线性运算符相关联的乘法结构。因此，我们介绍一个类似标准的神经网络架构的新系列，但是输入数据在向量上乘法作用。由较小的算子出现在边界控制中的紧凑型操作员和波动方程的反边值问题分析，我们在网络中的选择权重矩阵中促进结构和稀疏性。在描述此架构后，我们研究其表示属性以及其近似属性。我们还表明，可以引入明确的正则化，其可以从所述逆问题的数学分析导出，并导致概括属性上的某些保证。我们观察到重量矩阵的稀疏性改善了概括估计。最后，我们讨论如何将运营商复发网络视为深度学习模拟，以确定诸如用于从边界测量的声波方程中重建所未知的WAVESTED的边界控制的算法算法。

最近开发的基于矩阵的renyi的熵能够通过在再现内核Hilbert空间中的对称正半明确（PSD）矩阵中的EigensPectrum，而无需估计基础数据分布的情况下，能够测量数据中的信息。这种有趣的属性使得新信息测量在多种统计推理和学习任务中广泛采用。然而，这种数量的计算涉及PSD矩阵$ G $的跟踪运算符，以便为电源$ \ alpha $（即$ tr（g ^ \ alpha）$），具有近O $ o的正常复杂性（n ^ 3 ）$，当样品数量（即$ N $）大时，严重妨碍了它的实际用法。在这项工作中，我们向这种新的熵功能呈现计算有效的近似，这可以降低其复杂性，以明显不到$ O（n ^ 2）$。为此，我们首先将随机近似为$ \ tr（\ g ^ \ alpha）$，将跟踪估计转换为矩阵矢量乘法问题。我们扩展了$ \ Alpha $（整数或非整数）的任意值策略。然后，我们建立基于矩阵的renyi的熵和PSD矩阵近似之间的连接，这使我们能够利用群集和阻止$ \ g $的低级结构来进一步降低计算成本。理论上我们提供近似精度保证并说明不同近似的属性。综合性和现实数据的大规模实验评估证实了我们的理论发现，展示了有希望的加速，准确性可忽略不计。

矩阵近似是大规模代数机器学习方法中的关键元件。最近提出的方法Meka（Si等人，2014）有效地使用了希尔伯特空间中的两个常见假设：通过固有的换档内核功能和数据紧凑性假设获得的内部产品矩阵的低秩属性块集群结构。在这项工作中，我们不仅适用于换档内核，而且扩展Meka，而且还适用于多项式内核和极端学习内核等非静止内核。我们还详细介绍了如何在MEKA中处理非正面半定位内核功能，由近似自身或故意使用通用内核功能引起的。我们展示了一种基于兰兹的估计频谱转变，以发展稳定的正半定梅卡近似，也可用于经典凸优化框架。此外，我们支持我们的调查结果，具有理论考虑因素和各种综合性和现实世界数据的实验。

在涉及矩阵计算的问题中，杠杆的概念发现了大量应用。特别是，将矩阵的列与其领先的单数矢量跨越的子空间相关联的杠杆分数有助于揭示列亚集，以大约将矩阵分配给具有质量保证的矩阵。因此，它们为各种机器学习方法提供了坚实的基础。在本文中，我们扩展了杠杆分数的定义，以将矩阵的列与单数矢量的任意子集相关联。我们通过将杠杆分数和子空间之间的主要角度的概念联系起来，在列和奇异矢量子集之间建立精确的联系。我们采用此结果来设计近似算法，并为两个众所周知的问题提供可证明的保证：广义列子集选择和稀疏的规范相关分析。我们运行数值实验，以进一步了解所提出的方法。我们得出的新颖界限提高了我们对矩阵近似中基本概念的理解。此外，我们的见解可能是进一步贡献的基础。

随机奇异值分解（RSVD）是用于计算大型数据矩阵截断的SVD的一类计算算法。给定A $ n \ times n $对称矩阵$ \ mathbf {m} $，原型RSVD算法输出通过计算$ \ mathbf {m mathbf {m} $的$ k $引导singular vectors的近似m}^{g} \ mathbf {g} $;这里$ g \ geq 1 $是一个整数，$ \ mathbf {g} \ in \ mathbb {r}^{n \ times k} $是一个随机的高斯素描矩阵。在本文中，我们研究了一般的“信号加上噪声”框架下的RSVD的统计特性，即，观察到的矩阵$ \ hat {\ mathbf {m}} $被认为是某种真实但未知的加法扰动信号矩阵$ \ mathbf {m} $。我们首先得出$ \ ell_2 $（频谱规范）和$ \ ell_ {2 \ to \ infty} $（最大行行列$ \ ell_2 $ norm）$ \ hat {\ hat {\ Mathbf {M}} $和信号矩阵$ \ Mathbf {M} $的真实单数向量。这些上限取决于信噪比（SNR）和功率迭代$ g $的数量。观察到一个相变现象，其中较小的SNR需要较大的$ g $值以保证$ \ ell_2 $和$ \ ell_ {2 \ to \ fo \ infty} $ distances的收敛。我们还表明，每当噪声矩阵满足一定的痕量生长条件时，这些相变发生的$ g $的阈值都会很清晰。最后，我们得出了近似奇异向量的行波和近似矩阵的进入波动的正常近似。我们通过将RSVD的几乎最佳性能保证在应用于三个统计推断问题的情况下，即社区检测，矩阵完成和主要的组件分析，并使用缺失的数据来说明我们的理论结果。

本文涉及使用多项式的有限样品的平滑，高维函数的近似。这项任务是计算科学和工程中许多应用的核心 - 尤其是由参数建模和不确定性量化引起的。通常在此类应用中使用蒙特卡洛（MC）采样，以免屈服于维度的诅咒。但是，众所周知，这种策略在理论上是最佳的。尺寸$ n $有许多多项式空间，样品复杂度尺度划分为$ n $。这种有据可查的现象导致了一致的努力，以设计改进的，实际上是近乎最佳的策略，其样本复杂性是线性的，甚至线性地缩小了$ n $。自相矛盾的是，在这项工作中，我们表明MC实际上是高维度中的一个非常好的策略。我们首先通过几个数值示例记录了这种现象。接下来，我们提出一个理论分析，该分析能够解决这种悖论，以实现无限多变量的全体形态功能。我们表明，基于$ M $ MC样本的最小二乘方案，其错误衰减为$ m/\ log（m）$，其速率与最佳$ n $ term的速率相同多项式近似。该结果是非构造性的，因为它假定了进行近似的合适多项式空间的知识。接下来，我们提出了一个基于压缩感应的方案，该方案达到了相同的速率，除了较大的聚类因子。该方案是实用的，并且在数值上，它的性能和比知名的自适应最小二乘方案的性能和更好。总体而言，我们的发现表明，当尺寸足够高时，MC采样非常适合平滑功能近似。因此，改进的采样策略的好处通常仅限于较低维度的设置。

本文涉及低级矩阵恢复问题的$ \ ell_ {2,0} $ \ ell_ {2,0} $ - 正则化分解模型及其计算。引入了Qual $ \ ell_ {2,0} $ - 因子矩阵的规范，以促进因素和低级别解决方案的柱稀疏性。对于这种不透露的不连续优化问题，我们开发了一种具有外推的交替的多种化 - 最小化（AMM）方法，以及一个混合AMM，其中提出了一种主要的交替的近端方法，以寻找与较少的非零列和带外推的AMM的初始因子对。然后用于最小化平滑的非凸损失。我们为所提出的AMM方法提供全局收敛性分析，并使用非均匀采样方案将它们应用于矩阵完成问题。数值实验是用综合性和实际数据示例进行的，并且与核形态正则化分解模型的比较结果和MAX-NORM正则化凸模型显示柱$ \ ell_ {2,0} $ - 正则化分解模型具有优势在更短的时间内提供较低误差和排名的解决方案。

神经网络的经典发展主要集中在有限维欧基德空间或有限组之间的学习映射。我们提出了神经网络的概括，以学习映射无限尺寸函数空间之间的运算符。我们通过一类线性积分运算符和非线性激活函数的组成制定运营商的近似，使得组合的操作员可以近似复杂的非线性运算符。我们证明了我们建筑的普遍近似定理。此外，我们介绍了四类运算符参数化：基于图形的运算符，低秩运算符，基于多极图形的运算符和傅里叶运算符，并描述了每个用于用每个计算的高效算法。所提出的神经运营商是决议不变的：它们在底层函数空间的不同离散化之间共享相同的网络参数，并且可以用于零击超分辨率。在数值上，与现有的基于机器学习的方法，达西流程和Navier-Stokes方程相比，所提出的模型显示出卓越的性能，而与传统的PDE求解器相比，与现有的基于机器学习的方法有关的基于机器学习的方法。

Koopman运算符是无限维的运算符，可全球线性化非线性动态系统，使其光谱信息可用于理解动态。然而，Koopman运算符可以具有连续的光谱和无限维度的子空间，使得它们的光谱信息提供相当大的挑战。本文介绍了具有严格融合的数据驱动算法，用于从轨迹数据计算Koopman运算符的频谱信息。我们引入了残余动态模式分解（ResDMD），它提供了第一种用于计算普通Koopman运算符的Spectra和PseudtoStra的第一种方案，无需光谱污染。使用解析器操作员和RESDMD，我们还计算与测量保存动态系统相关的光谱度量的平滑近似。我们证明了我们的算法的显式收敛定理，即使计算连续频谱和离散频谱的密度，也可以实现高阶收敛即使是混沌系统。我们展示了在帐篷地图，高斯迭代地图，非线性摆，双摆，洛伦茨系统和11美元延长洛伦兹系统的算法。最后，我们为具有高维状态空间的动态系统提供了我们的算法的核化变体。这使我们能够计算与具有20,046维状态空间的蛋白质分子的动态相关的光谱度量，并计算出湍流流过空气的误差界限的非线性Koopman模式，其具有雷诺数为$> 10 ^ 5 $。一个295,122维的状态空间。

低维歧管假设认为，在许多应用中发现的数据，例如涉及自然图像的数据（大约）位于嵌入高维欧几里得空间中的低维歧管上。在这种情况下，典型的神经网络定义了一个函数，该函数在嵌入空间中以有限数量的向量作为输入。但是，通常需要考虑在训练分布以外的点上评估优化网络。本文考虑了培训数据以$ \ mathbb r^d $的线性子空间分配的情况。我们得出对由神经网络定义的学习函数变化的估计值，沿横向子空间的方向。我们研究了数据歧管的编纂中与网络的深度和噪声相关的潜在正则化效应。由于存在噪声，我们还提出了训练中的其他副作用。