Произведение Хатри — Рао — операция умножения матриц, определяемая выражением[1][2]:

в котором
-й блок является произведением Кронекера
соответствующих блоков
и
при условии, что количество строк и столбцов обеих матриц равно.
Размерность произведения —
.
К примеру, если матрицы
и
имеют блочную размерность 2 × 2:
и
,
то:
.
Столбцовое произведение Хатри — Рао
Столбцовое произведение Кронекера двух матриц также принято называть произведением Хатри — Рао.
Это произведение предполагает, что блоки матриц являются их столбцами. В этом случае
,
,
и для каждого
:
.
Результатом произведения является
-матрица, каждый столбец которой получается как произведение Кронекера соответствующих столбцов матриц
и
. Например, для:
и ![{\displaystyle \mathbf {D} =\left[{\begin{array}{c | c | c }\mathbf {D} _{1}&\mathbf {D} _{2}&\mathbf {D} _{3}\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{c | c | c }1&4&7\\2&5&8\\3&6&9\end{array}}\right]}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/48c6be4fd9b2e7573173b58fba51877ddde58980.svg)
столбцовое произведение:
.
Столбцовая версия произведения Хатри — Рао используется в линейной алгебре для аналитической обработки данных[3] и оптимизации решений проблемы обращения диагональных матриц[4][5]; в 1996 году его было предложено использовать в описании задачи совместного оценивания угла прихода и времени задержки сигналов в цифровой антенной решётке[6], а также для описания отклика 4-координатного радара[7].
Торцевое произведение
Существует альтернативная концепция произведения матриц, которая в отличие от столбцовой версии использует разбиение матриц на строки[8] — торцевое произведение (англ. face-splitting product)[7][9][10] или транспонированное произведение Хатри — Рао (англ. transposed Khatri — Rao product)[11]. Этот тип матричного умножения базируется на построчном произведении Кронекера двух и более матриц с одинаковым количеством строк.
Например, для:
и ![{\displaystyle \mathbf {D} =\left[{\begin{array}{c }\mathbf {D} _{1}\\\hline \mathbf {D} _{2}\\\hline \mathbf {D} _{3}\\\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{c c c }1&4&7\\\hline 2&5&8\\\hline 3&6&9\end{array}}\right]}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/16be1c4ae0ca987d31a3648dd444526bdcf4a4df.svg)
можно записать[7]:
.
Основные свойства
Транспонирование (1996[7][9][12]):
,
Коммутативность и ассоциативная операция[7][9][12]:

где
,
и
— матрицы, а
— скаляр,
,[12]
где
- вектор с количеством элементов, равным количеству строк матрицы
,
Свойство смешанного произведения (1997[12]):
,
[10],
[11][13],
[14],
где
обозначает произведение Адамара.
Также выполняются следующие свойства:
[12],
,[7] где
- вектор-строка,
[14],
[13],
,
[12],
, где
и
являются векторами согласованной размерности,
[15],
,
[16], где
и
являются векторами согласованной размерности (следует из свойств 3 и 8),
,
,
где
является матрицей дискретного преобразования Фурье,
- символ векторной свёртки (тождество следует из свойств отсчётного скетча[17]),
[18], где
-
матрица,
-
матрица,
,
- векторы из
и
единиц соответственно,
[19], где
является
матрицей,
- произведение Адамара и
- вектор из
единиц.
, где
- символ проникающего торцевого произведения матриц.
- По аналогии,
, где
-
матрица,
-
матрица,
[12],
[10],
[11],
[19],
,
где
- вектор, сформированный из диагональных элементов матрицы
,
- операция формирования вектора из матрицы
путём расположения одного под другим её столбцов.
Свойство поглощения произведения Кронекера:
[10][13]
,
,
где
и
являются векторами согласованной размерности.
Например[16]:
![{\displaystyle {\begin{aligned}\\&\quad \left({\begin{bmatrix}1&0\\0&1\\1&0\end{bmatrix}}\bullet {\begin{bmatrix}1&0\\1&0\\0&1\end{bmatrix}}\right)\left({\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}\otimes {\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}\right)\left({\begin{bmatrix}\sigma _{1}&0\\0&\sigma _{2}\\\end{bmatrix}}\otimes {\begin{bmatrix}\rho _{1}&0\\0&\rho _{2}\\\end{bmatrix}}\right)\left({\begin{bmatrix}x_{1}\\x_{2}\end{bmatrix}}\ast {\begin{bmatrix}y_{1}\\y_{2}\end{bmatrix}}\right)\\[5pt]&\quad =\left({\begin{bmatrix}1&0\\0&1\\1&0\end{bmatrix}}\bullet {\begin{bmatrix}1&0\\1&0\\0&1\end{bmatrix}}\right)\left({\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}&0\\0&\sigma _{2}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}x_{1}\\x_{2}\end{bmatrix}}\,\otimes \,{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\rho _{1}&0\\0&\rho _{2}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}y_{1}\\y_{2}\end{bmatrix}}\right)\\[5pt]&\quad ={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\\1&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}&0\\0&\sigma _{2}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}x_{1}\\x_{2}\end{bmatrix}}\,\circ \,{\begin{bmatrix}1&0\\1&0\\0&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1&1\\1&-1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\rho _{1}&0\\0&\rho _{2}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}y_{1}\\y_{2}\end{bmatrix}}.\end{aligned}}}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/b41b6013987f68a19d76fdfa669fca9462076c24.svg)
- Если
, где
представляют собой независимые включения матрицы
, содержащей строки
, такие, что
и
,
- то
с вероятностью
для любого вектора
, если количество строк
.
В частности, если элементами матрицы
являются числа
, можно получить
, что при малых значениях
согласуется с предельным значением
леммы Джонсона-Линденштрауса о распределении.
Блочное торцевое произведение
Для блочных матриц с одинаковым количеством столбцов в соответствующих блоках:
и ![{\displaystyle \mathbf {B} =\left[{\begin{array}{c | c}\mathbf {B} _{11}&\mathbf {B} _{12}\\\hline \mathbf {B} _{21}&\mathbf {B} _{22}\end{array}}\right]}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/8782967d3ca3d31a089f35809b7586a1f29ddd9c.svg)
согласно определению[7], блочное торцевое произведение
запишется в виде:
.
Аналогично, для блочного транспонированного торцевого произведения (или блочного столбцового произведения Хатри — Рао) двух матриц
с одинаковым количеством столбцов в соответствующих блоках имеет место соотношение[7]:
.
Выполняется свойство транспонирования[13]:
![{\displaystyle \left(\mathbf {A} [\ast ]\mathbf {B} \right)^{\textsf {T}}={\textbf {A}}^{\textsf {T}}[\bullet ]\mathbf {B} ^{\textsf {T}}}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/907ec4c862586658a29c538a04d6f973e129a19c.svg)
Приложения
Семейство торцевых произведений матриц используется в тензорно-матричной теории цифровых антенных решёток для радиотехнических систем[11].
Торцевое произведение получило широкое распространение в системах машинного обучения, статистической обработке больших данных[16]. Оно позволяет сократить объёмы вычислений при реализации метода уменьшения размерности данных, получившего наименование тензорный скетч[16], а также быстрого преобразования Джонсона — Линденштрауса[16]. При этом осуществляется переход от исходной проецирующей матрицы к произведению Адамара, оперирующему матрицами меньшей размерности. Погрешность аппроксимации данных большой размерности на основе торцевого произведения матриц соответствует лемме о малом искажении[16][20]. В указанном контексте идея торцевого произведения может быть использована для решения задачи дифференциальной приватности (англ. differential privacy)[15]. Кроме того, аналогичные вычисления были применены для формирования тензоров совместной встречаемости в задачах обработки естественного языка и построения гиперграфов подобия изображений[21].
Торцевое произведение применяется для P-сплайн аппроксимации[18], построения обобщённых линейных моделей массивов данных (GLAM) при их статистической обработке[19] и может быть использовано для эффективной реализации ядерного метода машинного обучения, а также изучения взаимодействия генотипов с окружающей средой.[22]
См. также
Примечания
- ↑ Khatri C. G., C. R. Rao. Solutions to some functional equations and their applications to characterization of probability distributions (англ.) // Sankhya : journal. — 1968. — Vol. 30. — P. 167—180. Архивировано 23 октября 2010 года.
- ↑ Zhang X; Yang Z; Cao C. (2002), Inequalities involving Khatri–Rao products of positive semi-definite matrices, Applied Mathematics E-notes, 2: 117—124
- ↑ See e.g. H.D. Macedo and J.N. Oliveira. A linear algebra approach to OLAP. Formal Aspects of Computing, 27(2):283-307, 2015.
- ↑ Lev-Ari, Hanoch. Efficient Solution of Linear Matrix Equations with Application to Multistatic Antenna Array Processing (англ.) // Communications in Information & Systems. — 2005. — 1 января (т. 05, № 1). — С. 123—130. — ISSN 1526-7555. — doi:10.4310/CIS.2005.v5.n1.a5. Архивировано 12 июля 2020 года.
- ↑ Masiero, B.; Nascimento, V. H. Revisiting the Kronecker Array Transform // IEEE Signal Processing Letters. — 2017. — 1 мая (т. 24, № 5). — С. 525—529. — ISSN 1070-9908. — doi:10.1109/LSP.2017.2674969. — Bibcode:2017ISPL...24..525M. Архивировано 12 июля 2020 года.
- ↑ Vanderveen, M. C., Ng, B. C., Papadias, C. B., & Paulraj, A. (n.d.). Joint angle and delay estimation (JADE) for signals in multipath environments. Conference Record of The Thirtieth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers. — DOI:10.1109/acssc.1996.599145
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, V. I. (27 декабря 1996). End products in matrices in radar applications (PDF). Izvestiya VUZ: Radioelektronika.– 1998, Vol. 41; Number 3: 50—53. Архивировано (PDF) 27 июля 2020. Дата обращения: 27 июля 2020.
- ↑ Anna Esteve, Eva Boj & Josep Fortiana (2009): Interaction Terms in Distance-Based Regression, Communications in Statistics — Theory and Methods, 38:19, P. 3501 [1] Архивная копия от 26 апреля 2021 на Wayback Machine
- ↑ 1 2 3 Slyusar, V. I. Analytical model of the digital antenna array on a basis of face-splitting matrix products (англ.) // Proc. ICATT- 97, Kyiv : journal. — 1997. — 20 May. — P. 108—109. Архивировано 25 января 2020 года.
- ↑ 1 2 3 4 Slyusar, V. I. (1999). A Family of Face Products of Matrices and its Properties (PDF). Cybernetics and Systems Analysis C/C of Kibernetika I Sistemnyi Analiz. 35 (3): 379—384. doi:10.1007/BF02733426. Архивировано (PDF) 25 января 2020. Дата обращения: 12 июля 2020.
- ↑ 1 2 3 4 Миночкин А. И., Рудаков В. И., Слюсар В. И. Основы военно-технических исследований. Теория и приложения. Том. 2. Синтез средств информационного обеспечения вооружения и военной техники // Под ред. А. П. Ковтуненко. — Киев: «Гранмна». — 2012. C. 7 - 98; 354 - 521 (2012). Дата обращения: 12 июля 2020. Архивировано 25 января 2020 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Slyusar, V. I. (15 сентября 1997). New operations of matrices product for applications of radars (PDF). Proc. Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED-97), Lviv.: 73—74. Архивировано (PDF) 25 января 2020. Дата обращения: 12 июля 2020.
- ↑ 1 2 3 4 5 Vadym Slyusar. New Matrix Operations for DSP (Lecture). April 1999. - DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1
- ↑ 1 2 C. Radhakrishna Rao. Estimation of Heteroscedastic Variances in Linear Models.//Journal of the American Statistical Association, Vol. 65, No. 329 (Mar., 1970), pp. 161-172
- ↑ 1 2 Kasiviswanathan, Shiva Prasad, et al. «The price of privately releasing contingency tables and the spectra of random matrices with correlated rows.» Proceedings of the forty-second ACM symposium on Theory of computing. 2010.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ahle, Thomas; Knudsen, Jakob. Almost Optimal Tensor Sketch . [2] (3 сентября 2019). Дата обращения: 11 июля 2020. Архивировано 14 июля 2020 года.
- ↑ Ninh, Pham; Rasmus, Pagh (2013). Fast and scalable polynomial kernels via explicit feature maps. SIGKDD international conference on Knowledge discovery and data mining. Association for Computing Machinery. doi:10.1145/2487575.2487591.
- ↑ 1 2 Eilers, Paul H.C.; Marx, Brian D. (2003). Multivariate calibration with temperature interaction using two-dimensional penalized signal regression. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 66 (2): 159—174. doi:10.1016/S0169-7439(03)00029-7.
- ↑ 1 2 3 Currie, I. D.; Durban, M.; Eilers, P. H. C. (2006). Generalized linear array models with applications to multidimensional smoothing. Journal of the Royal Statistical Society. 68 (2): 259—280. doi:10.1111/j.1467-9868.2006.00543.x.
- ↑ Ahle, Thomas; Kapralov, Michael; Knudsen, Jakob; Pagh, Rasmus; Velingker, Ameya; Woodruff, David; Zandieh, Amir (2020). Oblivious Sketching of High-Degree Polynomial Kernels. ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms. Association for Computing Machinery. doi:10.1137/1.9781611975994.9.
- ↑ Bryan Bischof. Higher order co-occurrence tensors for hypergraphs via face-splitting. Published 15 February, 2020, Mathematics, Computer Science, ArXiv Архивная копия от 25 ноября 2020 на Wayback Machine
- ↑ Johannes W. R. Martini, Jose Crossa, Fernando H. Toledo, Jaime Cuevas. On Hadamard and Kronecker products in covariance structures for genotype x environment interaction.//Plant Genome. 2020;13:e20033. Page 5. [3]
Литература