Randomized Algorithms for Symmetric Nonnegative Matrix Factorization

数学 非负矩阵 算法 基质(化学分析) 因式分解 组合数学 对称矩阵 矩阵分解 域代数上的 纯数学 特征向量 物理 材料科学 量子力学 复合材料
作者
Koby Hayashi,Sinan G. Aksoy,Grey Ballard,Haesun Park
出处
期刊:SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:46 (1): 584-625 被引量:6
标识
DOI:10.1137/24m1638355
摘要

Abstract. Symmetric Nonnegative Matrix Factorization (SymNMF) is a technique in data analysis and machine learning that approximates a symmetric matrix with a product of a nonnegative, low-rank matrix and its transpose. To design faster and more scalable algorithms for SymNMF, we develop two randomized algorithms for its computation. The first algorithm uses randomized matrix sketching to compute an initial low-rank approximation to the input matrix and proceeds to rapidly compute a SymNMF of the approximation. The second algorithm uses randomized leverage score sampling to approximately solve constrained least squares problems. Many successful methods for SymNMF rely on (approximately) solving sequences of constrained least squares problems. We prove theoretically that leverage score sampling can approximately solve nonnegative least squares problems to a chosen accuracy with high probability. Additionally, we prove sampling complexity results for previously proposed hybrid sampling techniques which deterministically include high leverage score rows. This hybrid scheme is crucial for obtaining speedups in practice. Finally, we demonstrate that both methods work well in practice by applying them to graph clustering tasks on large real world data sets. These experiments show that our methods approximately maintain solution quality and achieve significant speedups for both large dense and large sparse problems.
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