论文中矩阵的各种trick

最小二乘中优化顺序交换

\[XQc\to XCq \]

其中\(X\in R^{n,p},\,Q\in R^{p,k},\, c\in R^{k,1},\, C\in R^{p, kp},\, q\in R^{kp, 1}\)\(n\)表示样本数,\(p\)表示特征维度,\(c\)表示pattern的个数。

推导过程如下:

\[\begin{align*}(XQc)_{r, 1}&=\sum_l(XQ)_{r,l}\,c_{l,1}\\&=\sum_l \sum_m X_{r,m}Q_{m,l}\,c_{l,1}\\&=\sum_m\sum_l X_{r, m} \,c_{l,1}Q_{m,l}\end{align*} \]

\(m\)先固定,如\(m=1\)\(l=\{1, \cdots ,k\}\)上式为

\[X_{r,1}c_{(1,\cdots,k),1}Q_{1, (1,\cdots,k)} \]

可以看到\(c\)\(Q\)每一行都做了矩阵乘法,而\(m\)是变动的,不难可以想象出\(I\otimes c.T\)\(Q\)要拉成已为向量。代码如下:

import numpy as np

np.random.seed(10)

X = np.random.randn(5, 10)
Q = np.random.randn(10, 3)
c = np.random.randn(3, 1)

# original 
result = X.dot(Q.dot(c))

# transformed
I = np.eye(10)
q = Q.reshape(-1, 1)

# 
C = np.outer(I, c.T).reshape(10, -1)
# C = np.multiply.outer(I, c.T).reshape(10, -1)
# C = np.einsum('ab, cd->abcd', I, c.T).reshape(10, -1)

new_result = X.dot(C.dot(q))

print("变换是否等价", np.allclose(result, new_result, rtol=1e-4))

MMD

\[\Vert \frac{1}{n_s}\sum\limits_{i=1}^{n_s}A^Tx_i-\frac{1}{n_t}\sum\limits_{i=n_s}^{n_s+n_t}A^Tx_i\Vert_2^2 \]

例子来源于[1],具体的过程再赘述。

\[\begin{align*}\Vert \frac{1}{n_s}\sum\limits_{i=1}^{n_s}A^Tx_i-\frac{1}{n_t}\sum\limits_{i=n_s}^{n_s+n_t}A^Tx_i\Vert_2^2&=\Vert \frac{1}{n_s}A^T X_s {\mathbf 1}-\frac{1}{n_t}A^T X_t{\mathbf 1}\Vert_2^2\\&=tr\left(A^T\left(\begin{bmatrix}X_s & X_t\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\frac{1}{n_s}^2 & -\frac{1}{n_sn_t}\\-\frac{1}{n_sn_t}& \frac{1}{n_t}^2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}X_s \\ X_t\end{bmatrix}\right)A\right)\\&=tr(A^TXMX^TA)\end{align*} \]

Scatter Matrix

\[AHA^T \]

Scatter matrix可以度量矩阵的方差[2]\(H=I-\frac{1}{n}{\mathbf 1}{\mathbf 1}^T\)方差的定义是

\[\begin{align*}var&=\sum_{i=1}^n (x_i-m)(x_i-m)^T\\&=\sum_{i=1}^nx_ix_i^T-n\bar{x}\bar{x}^T\end{align*} \]

其中\(\bar{x}=\frac{1}{n}\sum x_i\)。令\(X=\begin{bmatrix} x_1& \cdots&x_n\end{bmatrix}\),则上式可以表达为

\[\begin{align*}var &= XIX^T-X(\frac{1}{n}{\mathbf 1}{\mathbf 1}^T)X^T\end{align*} \]

参考资料

  1. 王晋东不在家, MMD计算的核技巧公式推导
  1. 王晋东不在家, 迁移成分分析(TCA)方法简介
posted @ 2020-05-02 01:21  Neo_DH  阅读(553)  评论(0编辑  收藏  举报