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Producto Khatri-Rao

En matemáticas, el producto Khatri-Rao o producto de Kronecker en bloque de dos matrices particionadas se define como [1] [2] [3]

en el que el ij -ésimo bloque es el producto de Kronecker de tamaño m i p i × n j q j de los bloques correspondientes de A y B , suponiendo que el número de particiones de filas y columnas de ambas matrices es igual. El tamaño del producto es entonces i m i p i ) × (Σ j n j q j ) .

Por ejemplo, si A y B son matrices divididas 2 × 2, por ejemplo:

obtenemos:

Esta es una submatriz del producto Tracy-Singh [4] de las dos matrices (cada partición en este ejemplo es una partición en una esquina del producto Tracy-Singh ).

Producto Kronecker por columnas

El producto de Kronecker por columnas de dos matrices es un caso especial del producto Khatri-Rao como se define anteriormente, y también puede denominarse producto Khatri-Rao. Este producto supone que las particiones de las matrices son sus columnas. En este caso m 1 = m , p 1 = p , n = q y para cada j : n j = p j = 1 . El producto resultante es una matriz mp × n de la cual cada columna es el producto de Kronecker de las columnas correspondientes de A y B. Usando las matrices de los ejemplos anteriores con las columnas particionadas:

de modo que:

Esta versión por columnas del producto Khatri-Rao es útil en enfoques de álgebra lineal para el procesamiento analítico de datos [5] y para optimizar la solución de problemas inversos relacionados con una matriz diagonal. [6] [7]

En 1996, se propuso el producto Khatri-Rao en columnas para estimar los ángulos de llegada (AOA) y los retrasos de señales de trayectorias múltiples [8] y cuatro coordenadas de fuentes de señales [9] en un conjunto de antenas digitales .

Producto que te parte la cara

Producto de división de caras de matrices.

V. Slyusar [10] propuso en 1996 un concepto alternativo de producto matricial, que utiliza la división por filas de matrices con una cantidad determinada de filas. [9] [11] [12] [13] [14]

Esta operación matricial se denominó "producto de división de caras" de matrices [11] [13] o "producto Khatri-Rao transpuesto". Este tipo de operación se basa en productos de Kronecker fila por fila de dos matrices. Usando las matrices de los ejemplos anteriores con las filas particionadas:

el resultado se puede obtener: [9] [11] [13]

Propiedades principales

  1. Transponer ( V. Slyusar , 1996 [9] [11] [12] ):
    ,
  2. Bilinealidad y asociatividad : [9] [11] [12]

    donde A , B y C son matrices y k es un escalar ,

    , [12]
    ¿Dónde está un vector ?
  3. La propiedad del producto mixto ( V. Slyusar , 1997 [12] ):
    ,
    , [13]
    [15]
    , [dieciséis]
    donde denota el producto Hadamard ,
  4. , [12]
  5. , [9]
  6. , [dieciséis]
  7. , donde es una matriz de permutación. [7]
  8.  
    , [13] [15]
    Similarmente:
    ,
  9.  
    , [12]
    ,
    donde y son vectores ,
  10. , [17] ,
  11.  
    , [18]
    donde y son vectores (es una combinación de las propiedades 3 y 8), de manera similar:
  12.  
    ,
    ¿Dónde está la convolución del vector ? son matrices de "boceto de conteo"; y es la matriz de transformada de Fourier (este resultado es una evolución de las propiedades del boceto de conteo [19] ). Esto se puede generalizar para matrices apropiadas :

    porque la propiedad 11 anterior nos da
    Y el teorema de convolución nos da
  13.  
    , [20]
    donde es matriz, es matriz, es un vector de unos de longitud y es un vector de unos de longitud o
    , [21]
    donde es matriz, significa multiplicación elemento por elemento y es un vector de unos de longitud .
    ,
    donde denota el producto de la cara penetrante de las matrices. [13] De manera similar:
    , donde es matriz, es matriz.
  14.  
    , [12]
    [13] = ,
    , [21]
    donde está el vector que consta de los elementos diagonales de , significa apilar las columnas de una matriz una encima de otra para obtener un vector.
  15.  
    . [13] [15]
    Similarmente:
    ,
    donde y son vectores

Ejemplos [18]

Teorema [18]

Si , ¿dónde están los componentes independientes una matriz aleatoria con filas independientes distribuidas idénticamente , tal que

y ,

entonces para cualquier vector

con probabilidad si la cantidad de filas

En particular, si las entradas de son pueden obtener

que coincide con el lema de Johnson-Lindenstrauss de cuando es pequeño.

Bloquear producto que divide la cara

Producto de división de caras en bloque transpuesto en el contexto de un modelo de radar multicara [15]

Según la definición de V. Slyusar [9] [13], el producto de división de caras del bloque de dos matrices divididas con una cantidad dada de filas en bloques

Se puede escribir como :

El producto de división de caras de bloque transpuesto (o versión de bloque por columna del producto Khatri-Rao) de dos matrices divididas con una cantidad dada de columnas en bloques tiene una vista: [9] [13]

Propiedades principales

  1. Transponer :
    [15]

Aplicaciones

El producto de división de caras y el producto de división de caras en bloque utilizados en la teoría de matriz tensorial de conjuntos de antenas digitales . Estas operaciones se utilizan también en:

Ver también

Notas

  1. ^ Khatri CG, CR Rao (1968). "Soluciones a algunas ecuaciones funcionales y sus aplicaciones a la caracterización de distribuciones de probabilidad". Sankhya . 30 : 167–180. Archivado desde el original (PDF) el 23 de octubre de 2010 . Consultado el 21 de agosto de 2008 .
  2. ^ Liu, Shuangzhe (1999). "Resultados de la matriz de los productos Khatri-Rao y Tracy-Singh". Álgebra lineal y sus aplicaciones . 289 (1–3): 267–277. doi : 10.1016/S0024-3795(98)10209-4 .
  3. ^ Zhang X; Yang Z; Cao C. (2002), "Desigualdades que involucran productos Khatri-Rao de matrices semidefinidas positivas", Notas electrónicas de Matemáticas Aplicadas , 2 : 117–124
  4. ^ Liu, Shuangzhe; Trenkler, Götz (2008). "Hadamard, Khatri-Rao, Kronecker y otros productos matriciales". Revista Internacional de Ciencias de la Información y Sistemas . 4 (1): 160-177.
  5. ^ Véase, por ejemplo, HD Macedo y JN Oliveira. Un enfoque de álgebra lineal para OLAP. Aspectos formales de la informática, 27(2):283–307, 2015.
  6. ^ Lev-Ari, Hanoch (1 de enero de 2005). "Solución eficiente de ecuaciones matriciales lineales con aplicación al procesamiento de conjuntos de antenas multiestáticas" (PDF) . Comunicaciones en Información y Sistemas . 05 (1): 123-130. doi : 10.4310/CIS.2005.v5.n1.a5 . ISSN  1526-7555.
  7. ^ ab Masiero, B.; Nascimento, VH (1 de mayo de 2017). "Revisando la transformación de matriz de Kronecker". Cartas de procesamiento de señales IEEE . 24 (5): 525–529. Código Bib : 2017ISPL...24..525M. doi :10.1109/LSP.2017.2674969. ISSN  1070-9908. S2CID  14166014.
  8. ^ Vanderveen, MC, Ng, BC, Papadias, CB y Paulraj, A. (sin fecha). Estimación de retardo y ángulo conjunto (JADE) para señales en entornos multitrayecto. Acta de la trigésima conferencia de Asilomar sobre señales, sistemas y computadoras. – DOI:10.1109/acssc.1996.599145
  9. ^ abcdefgh Slyusar, VI (27 de diciembre de 1996). «Productos finales en matrices en aplicaciones de radar» (PDF) . Radioelectrónica y Sistemas de Comunicaciones . 41 (3): 50–53.
  10. ^ Anna Esteve, Eva Boj y Josep Fortiana (2009): "Términos de interacción en regresión basada en distancia", Comunicaciones en estadística: teoría y métodos , 38:19, p. 3501 [1]
  11. ^ abcde Slyusar, VI (20 de mayo de 1997). "Modelo analítico del conjunto de antenas digitales basado en productos matriciales de división de caras" (PDF) . Proc. ICATT-97, Kiev : 108–109.
  12. ^ abcdefgh Slyusar, VI (15 de septiembre de 1997). «Producto nuevas operaciones de matrices para aplicaciones de radares» (PDF) . Proc. Problemas directos e inversos de la teoría de ondas electromagnéticas y acústicas (DIPED-97), Lviv. : 73–74.
  13. ^ abcdefghij Slyusar, VI (13 de marzo de 1998). "Una familia de productos faciales de matrices y sus propiedades" (PDF) . Cibernética y Análisis de Sistemas C/C de Kibernetika I Sistemnyi Analiz. 1999 . 35 (3): 379–384. doi :10.1007/BF02733426. S2CID  119661450.
  14. ^ Slyusar, VI (2003). "Productos faciales generalizados de matrices en modelos de conjuntos de antenas digitales con canales no idénticos" (PDF) . Radioelectrónica y Sistemas de Comunicaciones . 46 (10): 9-17.
  15. ^ abcde Vadym Slyusar. Nuevas operaciones matriciales para DSP (Conferencia). Abril de 1999. – DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1
  16. ^ ab C. Radhakrishna Rao . Estimación de varianzas heterocedásticas en modelos lineales.//Revista de la Asociación Estadounidense de Estadística, vol. 65, núm. 329 (marzo de 1970), págs. 161-172
  17. ^ Kasiviswanathan, Shiva Prasad y otros. «El precio de publicar de forma privada tablas de contingencia y espectros de matrices aleatorias con filas correlacionadas.» Actas del cuadragésimo segundo simposio de la ACM sobre teoría de la informática. 2010.
  18. ^ abcd Thomas D. Ahle, Jakob Bæk Tejs Knudsen. Bosquejo tensorial casi óptimo. Publicado 2019. Matemáticas, Informática, ArXiv
  19. ^ Ninh, Pham; Pagh, Rasmus (2013). Núcleos polinómicos rápidos y escalables a través de mapas de características explícitos . Conferencia internacional SIGKDD sobre descubrimiento de conocimiento y minería de datos. Asociación para Maquinaria de Computación. doi :10.1145/2487575.2487591.
  20. ^ ab Eilers, Paul HC; Marx, Brian D. (2003). "Calibración multivariante con interacción de temperatura mediante regresión de señal penalizada bidimensional". Quimiometría y Sistemas Inteligentes de Laboratorio . 66 (2): 159-174. doi :10.1016/S0169-7439(03)00029-7.
  21. ^ abc Currie, identificación; Durban, M.; Eilers, APS (2006). "Modelos de matriz lineal generalizados con aplicaciones al suavizado multidimensional". Revista de la Real Sociedad de Estadística . 68 (2): 259–280. doi :10.1111/j.1467-9868.2006.00543.x. S2CID  10261944.
  22. ^ Bryan Bischof. Tensores de coocurrencia de orden superior para hipergrafos mediante división de caras. Publicado 15 de febrero de 2020, Matemáticas, Informática, ArXiv
  23. ^ Johannes WR Martini, José Crossa, Fernando H. Toledo, Jaime Cuevas. Sobre productos de Hadamard y Kronecker en estructuras de covarianza para la interacción genotipo x ambiente.//Genoma vegetal. 2020;13:e20033. Página 5. [2]

Referencias