Método de Nystroem para la aproximación del núcleo

He estado leyendo sobre el método de Nyström para la aproximación de kernel de bajo rango. Este método se implementa en scikit-learn [1] como un método para proyectar muestras de datos a una aproximación de bajo rango del mapeo de características del núcleo.

A lo mejor de mi conocimiento, dado un conjunto de entrenamiento y una función del núcleo, se genera una aproximación de bajo rango de la del núcleo matriz aplicando SVD a y . $\{x_i\}_{i=1}^n$ $n \times n$ $K$ $W$ $C$

, $K = \left [ \begin{array}{cc} W & K_{21}^T \\ K_{21} & K_{22} \end{array} \right ]$ $C = \left [\begin{array}{cc} W \\ K_{21} \end{array}\right ]$ $W \in \mathbb{R}^{l\times l}$

Sin embargo, no entiendo cómo la aproximación de bajo rango de la matriz Kernel se puede utilizar para proyectar nuevas muestras en el espacio de características del kernel aproximado . Los documentos que he encontrado (por ejemplo, [2]) no son de gran ayuda, ya que son poco didácticos.

Además, tengo curiosidad acerca de la complejidad computacional de este método, tanto en las fases de entrenamiento como de prueba.

[1] http://scikit-learn.org/stable/modules/kernel_approximation.html#nystroem-kernel-approx

[2] http://www.jmlr.org/papers/volume13/kumar12a/kumar12a.pdf

— Daniel López
fuente

Derivemos la aproximación de Nyström de una manera que aclare las respuestas a sus preguntas.

La suposición clave en Nyström es que la función del núcleo es de rango . (Realmente suponemos que es aproximadamente de rango , pero por simplicidad, supongamos que es exactamente rango por ahora). Eso significa que cualquier matriz del núcleo tendrá rango como máximo , y en particular $m$ $m$ $m$ $m$ es el rango. Por lo tanto, hayvalores propios distintos de cero, y podemos escribir la descomposición propia decomo con vectores propios almacenados en, de forma, y valores propios dispuestos en, unamatriz diagonal.

K = [\begin{matrix} k (X_{1}, X_{1}) & ... & k (X_{1}, X_{norte}) \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ k (X_{norte}, X_{1}) & ... & k (X_{norte}, X_{norte}) \end{matrix}],

$K = \begin{bmatrix} k(x_1, x_1) & \dots & k(x_1, x_n) \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ k(x_n, x_1) & \dots & k(x_n, x_n) \end{bmatrix} ,$

m

$m$

m

$m$

K

$K$

K = U Λ U^{T}

$K = U \Lambda U^T$

U

$U$

n \times m

$n \times m$

Λ

$\Lambda$

m \times m

$m \times m$

Entonces, escojamos elementos, generalmente de manera uniforme al azar, pero posiblemente de acuerdo con otros esquemas; todo lo que importa en esta versión simplificada es que sea de rango completo. Una vez que lo hagamos, simplemente vuelva a etiquetar los puntos para que terminemos con la matriz del núcleo en bloques: donde evaluamos cada entrada en (que es ) y ( $m$ $K_{11}$

K = [\begin{matrix} K_{11} & K_{21}^{T} \\ K_{21} & K_{22} \end{matrix}],

$K = \begin{bmatrix} K_{11} & K_{21}^T \\ K_{21} & K_{22} \end{bmatrix} ,$

K_{11}

$K_{11}$

m \times m

$m \times m$

K_{21}

$K_{21}$

(n - m) \times m

$(n-m) \times m$ ), pero no desea evaluar ninguna entrada en

K_{22}

$K_{22}$

Ahora, también podemos dividir la descomposición propia de acuerdo con esta estructura de bloques: dondeesyes. Pero tenga en cuenta que ahora tenemos . Para que podamos encontrar

\begin{aligned} K & = U Λ U^{T} \\ = [\begin{matrix} U_{1} \\ U_{2} \end{matrix}] Λ {[\begin{matrix} U_{1} \\ U_{2} \end{matrix}]}^{T} \\ = [\begin{matrix} U_{1} Λ U_{1}^{T} & U_{1} Λ U_{2}^{T} \\ U_{2} Λ U_{1}^{T} & U_{2} Λ U_{2}^{T} \end{matrix}], \end{aligned}

$\begin{align} K &= U \Lambda U^T \\&= \begin{bmatrix}U_1 \\ U_2\end{bmatrix} \Lambda \begin{bmatrix}U_1 \\ U_2\end{bmatrix}^T \\&= \begin{bmatrix} U_1 \Lambda U_1^T & U_1 \Lambda U_2^T \\ U_2 \Lambda U_1^T & U_2 \Lambda U_2^T \end{bmatrix} ,\end{align}$

U_{1}

$U_1$

m \times m

$m \times m$

U_{2}

$U_2$

(n - m) \times m

$(n-m) \times m$

K_{11} = U_{1} Λ U_{1}^{T}

$K_{11} = U_1 \Lambda U_1^T$

por descomposición de la matriz conocida

U_{1}

$U_1$

Λ

$\Lambda$

K_{11}

$K_{11}$

También sabemos que . Aquí, sabemos todo en esta ecuación excepto , por lo que podemos resolver qué valores propios implica: multiplicar a la derecha ambos lados por para obtener Ahora tenemos todo lo que necesitamos para evaluar : $K_{21} = U_2 \Lambda U_1^T$ $U_2$ $(\Lambda U_1^T)^{-1} = U_1 \Lambda^{-1}$

U_{2} = K_{21} U_{1} Λ^{- 1} .

$U_2 = K_{21} U_1 \Lambda^{-1} .$

K_{22}

$K_{22}$

\begin{aligned} K_{22} & = U_{2} Λ U_{2}^{T} \\ = (K_{21} U_{1} Λ^{- 1}) Λ {(K_{21} U_{1} Λ^{- 1})}^{T} \\ = K_{21} U_{1} (Λ^{- 1} Λ) Λ^{- 1} U_{1}^{T} K_{21}^{T} \\ = K_{21} U_{1} Λ^{- 1} U_{1}^{T} K_{21}^{T} \\ (*) & = K_{21} K_{11}^{- 1} K_{21}^{T} \\ (**) & = (K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}}) {(K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}})}^{T} . \end{aligned}

$\begin{align} K_{22} &= U_2 \Lambda U_2^T \\&= \left(K_{21} U_1 \Lambda^{-1}\right) \Lambda \left(K_{21} U_1 \Lambda^{-1}\right)^T \\&= K_{21} U_1 (\Lambda^{-1} \Lambda) \Lambda^{-1} U_1^T K_{21}^T \\&= K_{21} U_1 \Lambda^{-1} U_1^T K_{21}^T \\&= K_{21} K_{11}^{-1} K_{21}^T \tag{*} \\&= \left( K_{21} K_{11}^{-\frac12} \right) \left( K_{21} K_{11}^{-\frac12} \right)^T \tag{**} .\end{align}$

En (*), encontramos una versión de la incrustación de Nyström que podría haber visto simplemente como la definición. Esto nos dice los valores efectivos del núcleo que estamos imputando para el bloque . $K_{22}$

En (**), vemos que la matriz de características , que es forma, corresponde a estos valores de núcleo imputados. Si usamos $K_{21} K_{11}^{-\frac12}$ $(n-m) \times m$ para lospuntos, tenemos un conjunto decaracterísticasdimensionales $K_{11}^{\frac12}$ $m$ $m$ Podemos verificar rápidamente quecorresponde a la matriz correcta del núcleo:

Φ = [\begin{matrix} K_{11}^{\frac{1}{2}} \\ K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}} \end{matrix}] .

$\Phi = \begin{bmatrix} K_{11}^{\frac12} \\ K_{21} K_{11}^{-\frac12} \end{bmatrix} .$

Φ

$\Phi$

\begin{aligned} Φ Φ^{T} & = [\begin{matrix} K_{11}^{\frac{1}{2}} \\ K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}} \end{matrix}] {[\begin{matrix} K_{11}^{\frac{1}{2}} \\ K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}} \end{matrix}]}^{T} \\ = [\begin{matrix} K_{11}^{\frac{1}{2}} K_{11}^{\frac{1}{2}} & K_{11}^{\frac{1}{2}} K_{11}^{- \frac{1}{2}} K_{21}^{T} \\ K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}} K_{11}^{\frac{1}{2}} & K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}} K_{11}^{- \frac{1}{2}} K_{21}^{T} \end{matrix}] \\ = [\begin{matrix} K_{11} & K_{21}^{T} \\ K_{21} & K_{21} K_{11}^{- 1} K_{21}^{T} \end{matrix}] \\ = K . \end{aligned}

$\begin{align} \Phi \Phi^T &= \begin{bmatrix} K_{11}^{\frac12} \\ K_{21} K_{11}^{-\frac12} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} K_{11}^{\frac12} \\ K_{21} K_{11}^{-\frac12} \end{bmatrix}^T \\&=\begin{bmatrix} K_{11}^{\frac12} K_{11}^{\frac12} & K_{11}^{\frac12} K_{11}^{-\frac12} K_{21}^T \\ K_{21} K_{11}^{-\frac12} K_{11}^{\frac12} & K_{21} K_{11}^{-\frac12} K_{11}^{-\frac12} K_{21}^T \end{bmatrix} \\&=\begin{bmatrix} K_{11} & K_{21}^T \\ K_{21} & K_{21} K_{11}^{-1} K_{21}^T \end{bmatrix} \\&= K .\end{align}$

$m$ $\Phi$ $K$

$x$ $\Phi$

ϕ (X) = [\begin{matrix} k (X, X_{1}) & ... & k (X, X_{metro}) \end{matrix}] K_{11}^{- \frac{1}{2}} .

$\phi(x) = \begin{bmatrix} k(x, x_1) & \dots & k(x, x_m) \end{bmatrix} K_{11}^{-\frac12} .$

x

$x$

[\begin{matrix} k (x, x_{1}) & \dots & k (x, x_{m}) \end{matrix}]

$\begin{bmatrix} k(x, x_1) & \dots & k(x, x_m) \end{bmatrix}$

K_{21}

$K_{21}$

K_{21} K_{11}^{- \frac{1}{2}}

$K_{21} K_{11}^{-\frac12}$

ϕ (x)

$\phi(x)$

K_{11}

$K_{11}$

K_{11} K_{11}^{- \frac{1}{2}} = K_{11}^{\frac{1}{2}}

$K_{11} K_{11}^{-\frac12} = K_{11}^{\frac12}$

Φ

$\Phi$

x_{new}

$x_\text{new}$

Φ_{prueba} = K_{prueba, 1} K_{11}^{- \frac{1}{2}} .

$\Phi_\text{test} = K_{\text{test},1} K_{11}^{-\frac12} .$

m

$m$

[\begin{matrix} K_{train} & K_{train,test} \\ K_{test,train} & K_{test} \end{matrix}]

$\begin{bmatrix}K_{\text{train}} & K_{\text{train,test}} \\ K_{\text{test,train}} & K_{\text{test}} \end{bmatrix}$

m

$m$

K_{test}

$K_\text{test}$

K_{22}

$K_{22}$

Arriba, supusimos que la matriz del núcleo

tenía exactamente el rango

. Este no suele ser el caso; para un núcleo gaussiano, por ejemplo,

siempre es de rango

, pero los últimos valores propios generalmente disminuyen bastante rápido, por lo que va a estar cerca de una matriz de rango

, y nuestras reconstrucciones de

van estar cerca de los valores verdaderos pero no exactamente lo mismo. Serán mejores reconstrucciones cuanto más se acerque el espacio propio de

al de

K

$K$

m

$m$

K

$K$

n

$n$

m

$m$

K_{21}

$K_{21}$

K_{test, 1}

$K_{\text{test},1}$

K_{11}

$K_{11}$

general, por lo que elegir lospuntos

correctoses importante en la práctica.

K

$K$

m

$m$

Tenga en cuenta también que si tiene valores propios cero, puede reemplazar los inversos con pseudoinversiones y todo sigue funcionando; simplemente reemplaza en la reconstrucción con . $K_{11}$ $K_{21}$ $K_{21} K_{11}^\dagger K_{11}$

$K$ $\max(\lambda_i, 10^{-12})$

— Dougal
fuente

A

$A$

U Λ U^{T}

$U \Lambda U^T$

A

$A$

U Σ V^{T}

$U \Sigma V^T$

A^{- \frac{1}{2}} = V Σ^{- \frac{1}{2}} V^{T}

$A^{-\frac12} = V \Sigma^{-\frac12} V^T$

A

$A$

A V Σ^{- \frac{1}{2}} V^{T} = U Σ V^{T} V Σ^{- \frac{1}{2}} V^{T} = U Σ^{\frac{1}{2}} V^{T} = A^{\frac{1}{2}}

$A V \Sigma^{-\frac12} V^T = U \Sigma V^T V \Sigma^{-\frac12} V^T = U \Sigma^{\frac12} V^T = A^{\frac12}$

U Σ^{- \frac{1}{2}} V^{T} = K^{- \frac{1}{2}}

$U \Sigma^{-\frac12} V^T = K^{-\frac12}$

U \approx V

$U \approx V$

K_{11}

$K_{11}$

U Σ V^{T} V Σ^{- \frac{1}{2}} U^{T} = U Σ^{\frac{1}{2}} U^{T}

$U\Sigma V^T V \Sigma^{-\frac12} U^T = U \Sigma^{\frac12} U^T$

x^{- \frac{1}{2}} = 1 / \sqrt{x}

$x^{-\frac12} = 1 / \sqrt x$

V

$V$

V^{T}

$V^T$

x_{m}

$x_m$

x

$x$

x

$x$

R^{d}

$\mathbb R^d$

x \in X

$x \in \mathcal X$

k : X \times X \to R

$k : \mathcal X \times \mathcal X \to \mathbb R$

ϕ : X \to R^{m}

$\phi : \mathcal X \to \mathbb R^m$

k (x, x_{i})

$k(x, x_i)$

m

$m$