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。

A simple nonrecursive form of the tensor decomposition in d dimensions is presented. It does not inherently suffer from the curse of dimensionality, it has asymptotically the same number of parameters as the canonical decomposition, but it is stable and its computation is based on lowrank approximation of auxiliary unfolding matrices. The new form gives a clear and convenient way to implement all basic operations efficiently. A fast rounding procedure is presented, as well as basic linear algebra operations. Examples showing the benefits of the decomposition are given, and the efficiency is demonstrated by the computation of the smallest eigenvalue of a 19-dimensional operator.

我们研究了用$ q $ modes $ a \ in \ mathbb {r}^{n \ times \ ldots \ times n} $的近似给定张量的问题。图$ g =（v，e）$，其中$ | v | = q $，以及张张量的集合$ \ {u_v \ mid v \ in v \} $，以$ g $指定的方式收缩以获取张量$ t $。对于$ u_v $的每种模式，对应于$ v $的边缘事件，尺寸为$ k $，我们希望找到$ u_v $，以便最小化$ t $和$ a $之间的frobenius norm距离。这概括了许多众所周知的张量网络分解，例如张量列，张量环，塔克和PEPS分解。我们大约是二进制树网络$ t'$带有$ o（q）$核的大约$ a $，因此该网络的每个边缘上的尺寸最多是$ \ widetilde {o}（k^{o（dt） } \ cdot q/\ varepsilon）$，其中$ d $是$ g $的最大度，$ t $是其树宽，因此$ \ | a -t'-t'\ | _f^2 \ leq（1 + \ Varepsilon）\ | a -t \ | _f^2 $。我们算法的运行时间为$ o（q \ cdot \ text {nnz}（a）） + n \ cdot \ text {poly}（k^{dt} q/\ varepsilon）$，其中$ \ text {nnz }（a）$是$ a $的非零条目的数量。我们的算法基于一种可能具有独立感兴趣的张量分解的新维度降低技术。我们还开发了固定参数可处理的$（1 + \ varepsilon）$ - 用于张量火车和塔克分解的近似算法，改善了歌曲的运行时间，Woodruff和Zhong（Soda，2019），并避免使用通用多项式系统求解器。我们表明，我们的算法对$ 1/\ varepsilon $具有几乎最佳的依赖性，假设没有$ O（1）$ - 近似算法的$ 2 \至4 $ norm，并且运行时间比蛮力更好。最后，我们通过可靠的损失函数和固定参数可拖动CP分解给出了塔克分解的其他结果。

在这项工作中，我们估计具有高概率的张量的随机选择元素的数量，保证了黎曼梯度下降的局部收敛性，以便张力列车完成。基于展开奇异值的谐波平均值，我们从正交投影的正交投影推导出一个新的界限，并引入张力列车的核心相干概念。我们还将结果扩展到张力列车完成与侧面信息，并获得相应的本地收敛保证。

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.

最近的论文开发了CP和张量环分解的交替正方形（ALS）方法，其均值成本是sublinear，在低级别分解的输入张量输入量中是sublinear。在本文中，我们提出了基于抽样的ALS方法，用于CP和张量环分解，其成本没有指数级的依赖性，从而显着改善了先前的最先前。我们提供详细的理论分析，并在特征提取实验中应用这些方法。

在本文中，我们提出了一个基于树张量网状状态的密度估计框架。所提出的方法包括使用Chow-Liu算法确定树拓扑，并获得线性系统通过草图技术定义张量 - 网络组件的线性系统。开发了草图功能的新颖选择，以考虑包含循环的图形模型。提供样品复杂性保证，并通过数值实验进一步证实。

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。

Tensor完成是矩阵完成的自然高阶泛化，其中目标是从其条目的稀疏观察中恢复低级张量。现有算法在没有可证明的担保的情况下是启发式，基于解决运行不切实际的大型半纤维程序，或者需要强大的假设，例如需要因素几乎正交。在本文中，我们介绍了交替最小化的新变型，其又通过了解如何对矩阵设置中的交替最小化的收敛性的进展措施来调整到张量设置的启发。我们展示了强大的可证明的保证，包括表明我们的算法即使当因素高度相关时，我们的算法也会在真正的张量线上会聚，并且可以在几乎线性的时间内实现。此外，我们的算法也非常实用，我们表明我们可以完成具有千维尺寸的三阶张量，从观察其条目的微小一部分。相比之下，有些令人惊讶的是，我们表明，如果没有我们的新扭曲，则表明交替最小化的标准版本可以在实践中以急剧速度收敛。

我们使用张量奇异值分解（T-SVD）代数框架提出了一种新的快速流算法，用于抵抗缺失的低管级张量的缺失条目。我们展示T-SVD是三阶张量的研究型块术语分解的专业化，我们在该模型下呈现了一种算法，可以跟踪从不完全流2-D数据的可自由子模块。所提出的算法使用来自子空间的基层歧管的增量梯度下降的原理，以解决线性复杂度和时间样本的恒定存储器的张量完成问题。我们为我们的算法提供了局部预期的线性收敛结果。我们的经验结果在精确态度上具有竞争力，但在计算时间内比实际应用上的最先进的张量完成算法更快，以在有限的采样下恢复时间化疗和MRI数据。

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。

在本文中，我们在不同研究领域使用的三种模型之间存在联系：来自正式语言和语言学的加权有限自动机〜（WFA），机器学习中使用的经常性神经网络，以及张量网络，包括一组高处的优化技术量子物理学和数值分析中使用的顺序张量。我们首先介绍WFA与张力列车分解，特定形式的张量网络之间的内在关系。该关系允许我们展示由WFA计算的函数的Hankel矩阵的新型低级结构，并设计利用这种结构的有效光谱学习算法来扩展到非常大的Hankel矩阵。我们将解开基本连接在WFA和第二阶逆转神经网络之间〜（2-RNN）：在离散符号的序列的情况下，具有线性激活功能的WFA和2-RNN是表现性的。利用该等效结果与加权自动机的经典频谱学习算法相结合，我们介绍了在连续输入向量序列上定义的线性2-RNN的第一可提供学习算法。本算法依赖于Hankel Tensor的低等级子块，可以从中可以从中恢复线性2-RNN的参数。在综合性和现实世界数据的仿真研究中评估了所提出的学习算法的性能。

We consider a problem of considerable practical interest: the recovery of a data matrix from a sampling of its entries. Suppose that we observe m entries selected uniformly at random from a matrix M . Can we complete the matrix and recover the entries that we have not seen?We show that one can perfectly recover most low-rank matrices from what appears to be an incomplete set of entries. We prove that if the number m of sampled entries obeys m ≥ C n 1.2 r log n for some positive numerical constant C, then with very high probability, most n × n matrices of rank r can be perfectly recovered by solving a simple convex optimization program. This program finds the matrix with minimum nuclear norm that fits the data. The condition above assumes that the rank is not too large. However, if one replaces the 1.2 exponent with 1.25, then the result holds for all values of the rank. Similar results hold for arbitrary rectangular matrices as well. Our results are connected with the recent literature on compressed sensing, and show that objects other than signals and images can be perfectly reconstructed from very limited information.

在本文中，我们介绍了一种草图算法，用于构建其样品概率密度的张量列车表示。我们的方法偏离了基于标准的递归SVD构建张量列车的程序。取而代之的是，我们为单个张量火车芯制定并求解一系列小型线性系统。这种方法可以避免维数的诅咒，从而威胁恢复问题的算法和样本复杂性。具体而言，对于马尔可夫模型，我们证明可以使用相对于尺寸恒定的样品复杂性回收张量芯。最后，我们通过几个数值实验说明了该方法的性能。

我们介绍和分析了多元奇异频谱分析（MSSA）的变体，这是一种流行的时间序列方法，用于启用和预测多元时间序列。在我们介绍的时空因素模型下，给定$ n $时间序列和$ t $观测时间序列，我们为插补和样本外预测均有效地扩展为$ 1 / \ sqrt，为预测和样本预测有效地缩放均值{\ min（n，t）t} $。这是一个改进：（i）$ 1 /\ sqrt {t} $ SSA的错误缩放，MSSA限制对单变量时间序列； （ii）$ 1/\ min（n，t）$对于不利用数据中时间结构的矩阵估计方法的错误缩放。我们引入的时空模型包括：谐波，多项式，可区分的周期函数和持有人连续函数的任何有限总和和产物。在时空因素模型下，我们的样本外预测结果可能对在线学习具有独立的兴趣。从经验上讲，在基准数据集上，我们的MSSA变体通过最先进的神经网络时间序列方法（例如，DEEPAR，LSTM）竞争性能，并且明显优于诸如矢量自动化（VAR）之类的经典方法。最后，我们提出了MSSA的扩展：（i）估计时间序列的时变差异的变体； （ii）一种张量变体，对于$ n $和$ t $的某些制度具有更好的样本复杂性。

kronecker回归是一个高度结构的最小二乘问题$ \ min _ {\ mathbf {x}}} \ lvert \ mathbf {k} \ mathbf {x} - \ mathbf {b} \ rvert_ \ rvert_ {2}^2 $矩阵$ \ mathbf {k} = \ mathbf {a}^{（1）} \ otimes \ cdots \ cdots \ otimes \ mathbf {a}^{（n）} $是因子矩阵的Kronecker产品。这种回归问题是在广泛使用的最小二乘（ALS）算法的每个步骤中都出现的，用于计算张量的塔克分解。我们介绍了第一个用于求解Kronecker回归的子次数算法，以避免在运行时间中避免指数项$ o（\ varepsilon^{ - n}）$的$（1+ \ varepsilon）$。我们的技术结合了利用分数抽样和迭代方法。通过扩展我们对一个块是Kronecker产品的块设计矩阵的方法，我们还实现了（1）Kronecker Ridge回归的亚次级时间算法，并且（2）更新ALS中Tucker分解的因子矩阵，这不是一个不是一个纯Kronecker回归问题，从而改善了Tucker ALS的所有步骤的运行时间。我们证明了该Kronecker回归算法在合成数据和现实世界图像张量上的速度和准确性。

我们研究基于Krylov子空间的迭代方法，用于在任何Schatten $ p $ Norm中的低级别近似值。在这里，通过矩阵向量产品访问矩阵$ a $ $如此$ \ | a（i -zz^\ top）\ | _ {s_p} \ leq（1+ \ epsilon）\ min_ {u^\ top u = i_k} } $，其中$ \ | m \ | _ {s_p} $表示$ m $的单数值的$ \ ell_p $ norm。对于$ p = 2 $（frobenius norm）和$ p = \ infty $（频谱规范）的特殊情况，musco and Musco（Neurips 2015）获得了基于Krylov方法的算法，该方法使用$ \ tilde {o}（k）（k /\ sqrt {\ epsilon}）$ matrix-vector产品，改进na \“ ive $ \ tilde {o}（k/\ epsilon）$依赖性，可以通过功率方法获得，其中$ \ tilde {o} $抑制均可抑制poly $（\ log（dk/\ epsilon））$。我们的主要结果是仅使用$ \ tilde {o}（kp^{1/6}/\ epsilon^{1/3} {1/3}）$ matrix $ matrix的算法 - 矢量产品，并为所有$ p \ geq 1 $。为$ p = 2 $工作，我们的限制改进了先前的$ \ tilde {o}（k/\ epsilon^{1/2}）$绑定到$ \ tilde {o}（k/\ epsilon^{1/3}）$。由于schatten- $ p $和schatten-$ \ infty $ norms在$（1+ \ epsilon）$ pers $ p时相同\ geq（\ log d）/\ epsilon $，我们的界限恢复了Musco和Musco的结果，以$ p = \ infty $。此外，我们证明了矩阵矢量查询$ \ omega的下限（1/\ epsilon^ {1/3}）$对于任何固定常数$ p \ geq 1 $，表明令人惊讶的$ \ tilde {\ theta}（1/\ epsilon^{ 1/3}）$是常数〜$ k $的最佳复杂性。为了获得我们的结果，我们介绍了几种新技术，包括同时对多个Krylov子空间进行优化，以及针对分区操作员的不平等现象。我们在[1,2] $中以$ p \的限制使用了Araki-lieb-thirring Trace不平等，而对于$ p> 2 $，我们呼吁对安装分区操作员的规范压缩不平等。

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。

我们开发了第一个快速频谱算法，用于分解$ \ mathbb {r}^d $排名到$ o的随机三阶张量。我们的算法仅涉及简单的线性代数操作，并且可以在当前矩阵乘法时间下在时间$ o（d^{6.05}）$中恢复所有组件。在这项工作之前，只能通过方形的总和[MA，Shi，Steurer 2016]实现可比的保证。相反，快速算法[Hopkins，Schramm，Shi，Steurer 2016]只能分解排名最多的张量（D^{4/3}/\ text {polylog}（d））$。我们的算法结果取决于两种关键成分。将三阶张量的清洁提升到六阶张量，可以用张量网络的语言表示。将张量网络仔细分解为一系列矩形矩阵乘法，这使我们能够快速实现该算法。

本文缩小了先前有关量子线性代数的文献与量子计算机上的实用数据分析之间的差异，从而使量子程序形式化，以加快机器学习中数据表示的本本本特征的解决方案。这些子例程的功率和实际用途通过新的量子算法（输入矩阵的大小中的sublinear）显示，用于主成分分析，通信分析和潜在的语义分析。我们提供了对运行时的理论分析，并在随机算法的误差上证明了紧密的界限。我们在多个数据集上运行实验，以模拟PCA的尺寸减小，以通过新型例程进行图像分类。结果表明，不依赖输入的大小的运行时参数是合理的，并且计算模型上的错误很小，从而允许竞争性分类性能。