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Subspace-Constrained Randomized Coordinate Descent for Linear Systems with Good Low-Rank Matrix Approximations

数学 坐标下降 仿射变换 应用数学 收敛速度 共轭梯度法 梯度下降 解算器 线性系统 趋同(经济学) 基质(化学分析) 下降(航空) 核(代数) 坐标系 正定矩阵 数学优化 迭代法 子空间拓扑 算法 Krylov子空间 线性地图
作者
Jackie Lok,Elizaveta Rebrova
出处
期刊:SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:47 (3): 1495-1529 被引量:1
标识
DOI:10.1137/25m177446x
摘要

Abstract. The randomized coordinate descent (RCD) method is a classical algorithm with simple, lightweight iterations that is widely used for various optimization problems, including the solution of positive semidefinite linear systems. As a linear solver, RCD is particularly effective when the matrix is well conditioned; however, its convergence rate deteriorates rapidly in the presence of large spectral outliers. In this paper, we introduce the subspace-constrained randomized coordinate descent (SC-RCD) method, in which the dynamics of RCD are restricted to an affine subspace corresponding to a column Nyström approximation, efficiently computed using the recently analyzed randomly pivoted Cholesky (RPCholesky) algorithm. We prove that SC-RCD converges at a rate that is unaffected by large spectral outliers, making it an effective and memory-efficient solver for large-scale, dense linear systems with rapidly decaying spectra, such as those encountered in kernel ridge regression. Experimental validation and comparisons with related solvers based on coordinate descent and the conjugate gradient method demonstrate the efficiency of SC-RCD. Our theoretical results are derived by developing a more general subspace-constrained framework for the sketch-and-project method. This framework, which may be of independent interest, generalizes popular algorithms such as randomized Kaczmarz and coordinate descent and provides a flexible, implicit preconditioning strategy for a variety of iterative solvers. Reproducibility of computational results. This paper has been awarded the “SIAM Reproducibility Badge: Code and data available” as a recognition that the authors have followed reproducibility principles valued by SIMAX and the scientific computing community. Code and data that allow readers to reproduce the results in this paper are available at https://github.com/jackielok/subspace-constrained-rcd and in the supplementary materials ( Supp_Mat.zip [78.7KB]). [Formula: see text]
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