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[算法理论] 稀疏非负矩阵的 $p \to q$ 范数快速精确算法

发布于:2026-11-09 22:00 最后更新:2026-11-12 00:51
#algorithm #optimization #Math

我们提出了一种算法,能够在 $\widetilde{O}(s^{3/2}\log(1/\varepsilon))$ 时间内,以误差 $\varepsilon$ 计算非负矩阵(非零元素数为 $s$)的 $p \to q$ 范数,适用于任意 $p \ge q \ge 1$。此前最快的算法时间复杂度为 $\widetilde{O}(s/\varepsilon)$(Objois 与 Vladu, 2026),在追求高精度时明显更慢。

核心思路是将问题表述为在幂锥积上的线性优化,并在内部点法(IPM)中巧妙使用拉普拉斯求解器。IPM 的牛顿步可以通过求解一个 Schur 补矩阵的拉普拉斯系统得到,该系统在减去一个秩为 2 的矩阵后仍保持拉普拉斯结构。

实现层面,我们将上述理论转化为可运行的代码,并在多种基准任务上与商业求解器 MOSEK 对比。实验表明,在相同精度要求下,我们的实现可比 MOSEK 快至 20 倍,且在稀疏度较高的实例中表现尤为突出。

$$\text{复杂度} = \widetilde{O}\bigl(s^{3/2}\log(1/\varepsilon)\bigr)$$

点评:该算法通过拉普拉斯求解器与 IPM 的结合,突破了传统 $\widetilde{O}(s/\varepsilon)$ 的瓶颈,为稀疏非负矩阵范数计算提供了实用且高效的工具。

原文链接: https://arxiv.org/abs/2611.09601

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