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方法Method

矩阵补全的优化间隙与唯一性证书

Matrix completion certificate · Nuclear norm completion dual certificate · 核范数补全证书

以掩码近端梯度求解带核惩罚的观测损失,用支持受限的谱范数对偶点认证误差,再以切空间严格证书证明精确补全唯一性。

形式陈述 ​

设 m,n≥1,Ω⊆{1,…,m}×{1,…,n} 为观测位置。定义掩码 PΩX:保留 Ω 上的条目,其余设为零。它是 Frobenius 内积下的正交投影,满足 PΩ2=PΩ=PΩ∗。输入 B=PΩB 保存观测数值;外部的零只是存储占位,不是观测为零。

须先选择任务。带惩罚的拟合问题是

(P)Fλ(X)=12‖PΩX−B‖F2+λ‖X‖∗,λ>0.

精确观测约束问题则是

(E)minX ‖X‖∗使PΩX=B.

前者容许拟合残差,后者必须准确满足观测。二者都连续凸,并由核范数的强制增长保证最小点存在;(E) 的可行集非空,因为 X=B 总可行。它们与直接求最低秩的非凸问题也不同。

对于 (P),取 R=B−PΩX。核范数次微分给出必要且充分条件

(1)R/λ∈∂‖X‖∗.

对任意满足 PΩY=Y、‖Y‖2≤λ 的矩阵,令

Dλ(Y)=⟨B,Y⟩−12‖Y‖F2.

则 0≤Fλ(X)−Fλ∗≤Fλ(X)−Dλ(Y)。对偶点既要满足谱范数约束,也要只在已观测位置有支撑。

对于 (E),可行 X 最优当且仅当存在

(2)PΩY=Y,Y∈∂‖X‖∗.

此时 ‖Y‖2≤1,⟨B,Y⟩=‖X‖∗,给出原对偶等值。这里零目标间隙仅证明最优;要证明唯一,后文再检验切空间上的观测单射性与补空间的严格余量。这些都是确定性条件,不是“观测数够多”自动成立的概率结论。

直觉

全观测去噪对每个条目都收取平方残差,所以一次奇异值软阈值足够。补全只对已见条目收费。掩码梯度步先纠正已见位置,保留未见位置的当前猜测,再用核惩罚让整个矩阵共享低维结构。

三项结论要分开:算法是否解好了指定凸目标;这个凸目标是否唯一;其唯一答案是否就是生成数据的真实矩阵。最后一项还取决于观测位置和模型识别。即使已知真实矩阵秩一,核范数最小化也可能偏好一个秩二矩阵,下面给出完整反例。

一个缺失位置的唯一补全证书
例子与边界

三个观测如何认证第四格为一 ​

令 Ω={(1,1),(1,2),(2,1)},精确观测为

BE=(4220).

下标 E 标明本例使用 (E)。候选与正交方向为

M=(4221)=5uuT,u=15(2,1)T,v=15(−1,2)T.

构造

(3)Y=uuT−14vvT=(3/41/21/20).

它在未观测格为零,谱范数为一,且补方向系数的绝对值为 1/4<1。因此 (2) 成立;⟨BE,Y⟩=3+1+1=5=‖M‖∗,先证明最优。

任意可行竞争者为 M+hE22。令 T={uaT+cuT:a,c∈R2},则 T⊥ 由 vvT 张成,并且

PT⊥(hE22)=4h5vvT.

所以非零可行扰动不可能同时属于 T,即观测在 T 上单射。后文的一般证明进而给

(4)‖M+hE22‖∗−5≥(1−14)4|h|5=3|h|5.

只要缺失格不是一,目标就严格变大。作为独立复算,任意实二阶矩阵有 ‖X‖∗2=‖X‖F2+2|det⁡X|;因此在 X=(422t) 上,核范数平方为 24+t2+8|t−1|,其唯一最低点也是 t=1。

同一候选,在另一份惩罚数据上认证 ​

现在改用 (P),明确改变观测数据为

(5)BP=PΩ(M+Y)=(19/45/25/20),λ=1.

这是按 KKT 反向构造的可核验实例;并非把上一题的 BE 原样拿来却声称有同一解。候选仍为 M,此时 R=BP−PΩM=Y。由 (3),Y∈∂‖M‖∗,所以 (1) 成立。

‖Y‖F2=17/16、⟨BP,Y⟩=97/16,于是

(6)F1(M)=5+1732=17732=D1(Y).

它也是近端梯度的固定点:M+Y=6uuT−vvT/4,奇异值为 6,1/4。对它软阈值一,保留 5uuT=M,并消掉负特征方向对应的奇异项。

从零开始时,第一次输入是 BP,不是 M+Y。BP 的特征值为 (19±761)/8,一正一负且两者绝对值都大于一,因此第一步为

(7)X1=BP−1761(192020−19).

第一步的两个奇异值均非零,不能用“本轮秩二”判断算法失败。后续掩码步会把 X1,22 保留为新猜测;每轮把右下角重新置零再阈值,就会重复第一步,永远没有执行正确的补全迭代。

秩一可识别,也不保证核松弛找回它 ​

保持同一三格观测模式,改观测为 (1,2,2)。所有可行矩阵为 X(t)=(122t)。秩一要求行列式 t−4=0,因此在秩一模型中唯一可识别的答案是 t=4,核范数为五。

但 X(1) 的特征值为 3,−1,核范数仅为四。更精确地,

‖X(t)‖∗2=9+t2+2|t−4|={16+(t−1)2,t≤4,(t+1)2,t≥4.

唯一核范数最优点是 t=1,它秩二。低秩模型的识别与凸松弛的成功之间还差一份恢复条件,不能由“秩很低”或“只有一格未见”跳过。

更基本的不可识别例子是只观测第一行 (1,1)。全部矩阵 (11tt) 都秩一且具有相同观测,任何算法都无法从这些数据确定真实 t。核范数会偏好 t=0,只是优化模型的选择,不是数据揭示了真值。

推论与应用

掩码近端梯度、合法gap与不变量 ​

(P) 的光滑梯度为 ∇g(X)=PΩX−B,其 Lipschitz 常数至多一。固定 0<α≤1,从 X0=0 开始,执行

(8)Zk=Xk+α(B−PΩXk),Xk+1=Sαλ(Zk).

特别是 α=1 时,Zk=B+PΩcXk:已观测位置替换成输入,未观测位置保留上次估计。这个等式是可以逐轮检查的算法不变量,不说明输出 Xk+1 仍精确拟合观测;(P) 允许输出收缩。

近端梯度的三点证明适用于向量化后的矩阵空间,给出 Fλ(Xk) 不增、点收敛到某个最优解,以及

Fλ(Xk)−Fλ∗≤‖X0−X∗‖F22αk.

只对已观测残差 R=B−PΩX 取

(9)Y=R/ρ,ρ=max{1,‖R‖2/λ},

即可同时保证支撑与谱范数约束。若用 B−X,未观测位置往往非零,会违反对偶支撑。对合法 Y,平方展开和核—谱对偶给

(10)Fλ(X)−Dλ(Y)=12‖R−Y‖F2+λ‖X‖∗−⟨X,Y⟩≥0.

内积能写成 ⟨X,Y⟩ 正是因为 Y=PΩY。当 gap 达到所需 ε 时,返回当前 X,Y、gap、迭代数及定标;预算到期则报告未达标。负gap首先触发支撑、谱范数或数值误差检查,不视作超越最优。

每轮掩码操作在观测列表上为 O(|Ω|);若显式存储矩阵,构造输入及输出另为 O(mn)。完整稠密 SVD 为 O(mnmin(m,n)),认证残差的谱范数在最直接实现中还需一次同阶分解;可缓存或采用经认证上界,但不能把证书费用省略。k 轮总成本按这些费用相乘。低秩因子输出减少存储不等于已经证明部分 SVD 的精确性。这里复用确定性近端梯度,没有另创一个没有误差账本的随机或加速版本。

精确约束为什么存在这种对偶点 ​

(E) 的对偶为

(11)maxY ⟨B,Y⟩,PΩY=Y,‖Y‖2≤1.

充分性直接可见:每个可行 X 都有 ⟨B,Y⟩=⟨X,Y⟩≤‖X‖∗。取到等号恰为核范数的次梯度条件。

必要性可用有限维 Fenchel 资格。将 PΩ 的值域视为只含观测位置的矩阵空间,写 f(X)=‖X‖∗、g(Z)=δ{B}(Z)。f 在全空间有限连续,任意可行 X 满足 X∈ri(domf) 和 PΩX=B∈ri{B},故资格成立,且已知最小点存在。于是有最优乘子;改变符号并嵌回观测支撑空间,就得到 (2)。这说明非严格的支持次梯度条件是最优性的充要条件;下面更强的条件仅作为唯一性的充分证书。

切空间证书的完整唯一性证明 ​

对可行候选 M=UΣVT、秩 r,定义线性空间

T={UAT+CVT:A∈Rn×r, C∈Rm×r}.

它是固定秩矩阵在 M 处的切空间;本证明只使用这一明确的线性表达。令 PU=UUT,PV=VVT。按正交投影分块,有

(12)PT⊥H=(I−PU)H(I−PV),PTH=PUH+HPV−PUHPV.

在左右基分别扩充后的四块中,T⊥ 只保留右下块,其余三块组成 T,故 (12) 确实是正交分解。

假设存在 Y 满足

(13)PΩY=Y,PTY=UVT,η:=‖PT⊥Y‖2<1,

并且 ker⁡PΩ∩T={0}。那么 M 是 (E) 的唯一解。证明如下。

令 H≠0 为任意可行扰动,即 PΩH=0,写 H⊥=PT⊥H。若 H⊥=0,则 H∈T∩ker⁡PΩ,与单射性矛盾,所以 H⊥≠0。对 H⊥ 的 SVD 取左右奇异向量乘积之和 WH。它仍在 T⊥ 中,‖WH‖2=1,并且 ⟨WH,H⊥⟩=‖H⊥‖∗。

由核范数次微分公式,UVT+WH 是 M 处的次梯度。再令 W=PT⊥Y,利用 ⟨Y,H⟩=0,得到

(14)‖M+H‖∗−‖M‖∗≥⟨UVT+WH,H⟩=⟨WH−W,H⊥⟩≥(1−η)‖H⊥‖∗>0.

因此任意其他可行矩阵都更差。例 (3) 逐项算出了 η=1/4 与单射性,而不是只引用这个定理。

严格性是充分条件的一部分,并非每个唯一最优点都必须具有严格证书。例如三个已观测格都为一,候选全一矩阵的缺失格为 t=1。沿唯一自由格,核范数平方为 3+t2+2|t−1|,在 t≤1 时为 4+(t−1)2,在 t≥1 时为 (t+1)2,所以唯一最小点仍是 t=1。但其支撑次梯度必须取 Y=(0110),补空间范数恰为一,无法通过 (13)。证书测试不通过时,应报告“这份充分证书未建立”,不能报告“不唯一”。

两道短自测 ​

  1. 对 (5) 的最优点 M,用完整差 BP−M 替代已观测残差会怎样?答案:右下角变为 −1,违反 PΩY=Y;即使再缩放到谱球内,也没有修复支撑错误。
  2. 三个观测为 (4,2,2),某可行候选把缺失格填为 3/2。与最优核范数五相比,(4) 给出的差距下界是多少?答案:h=1/2,至少 3/10。实际差距可以更大;这是确定性下界,不是统计置信区间。
参考资料
  • Emmanuel J. Candès and Benjamin Recht, Exact Matrix Completion via Convex Optimization,作者稿,§3、式(3.4)–(3.5)、Lemma 3.1(印刷页15–16):切空间、支撑对偶与严格唯一性证书。本页证明并使用确定性引理,不宣称已证明全文的随机采样恢复率。
  • Jian-Feng Cai, Emmanuel J. Candès and Zuowei Shen, A Singular Value Thresholding Algorithm for Matrix Completion,§2.1 的近端映射与 §2.3、式(2.10)的带惩罚补全固定点。其式(2.7)的命名 SVT 迭代针对另一个带 Frobenius 正则的精确约束模型,不与本页 (8) 混用。
  • Neal Parikh and Stephen Boyd, Proximal Algorithms,§4.2 与 §6.7:复合算法和矩阵近端;本页单独检查掩码的梯度常数、对偶支撑与证书费用。
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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