We consider the nonlinear inverse problem of learning a transition operator $\mathbf{A}$ from partial observations at different times, in particular from sparse observations of entries of its powers $\mathbf{A},\mathbf{A}^2,\cdots,\mathbf{A}^{T}$. This Spatio-Temporal Transition Operator Recovery problem is motivated by the recent interest in learning time-varying graph signals that are driven by graph operators depending on the underlying graph topology. We address the nonlinearity of the problem by embedding it into a higher-dimensional space of suitable block-Hankel matrices, where it becomes a low-rank matrix completion problem, even if $\mathbf{A}$ is of full rank. For both a uniform and an adaptive random space-time sampling model, we quantify the recoverability of the transition operator via suitable measures of incoherence of these block-Hankel embedding matrices. For graph transition operators these measures of incoherence depend on the interplay between the dynamics and the graph topology. We develop a suitable non-convex iterative reweighted least squares (IRLS) algorithm, establish its quadratic local convergence, and show that, in optimal scenarios, no more than $\mathcal{O}(rn \log(nT))$ space-time samples are sufficient to ensure accurate recovery of a rank-$r$ operator $\mathbf{A}$ of size $n \times n$. This establishes that spatial samples can be substituted by a comparable number of space-time samples. We provide an efficient implementation of the proposed IRLS algorithm with space complexity of order $O(r n T)$ and per-iteration time complexity linear in $n$. Numerical experiments for transition operators based on several graph models confirm that the theoretical findings accurately track empirical phase transitions, and illustrate the applicability and scalability of the proposed algorithm.


翻译:我们考虑的是非线性反的问题。 这个 Spatio- 时间过渡操作员的恢复问题, 是因为最近人们有兴趣学习由图形操作员根据底部的图表结构学驱动的时间变化图形信号。 我们通过将其嵌入合适的块- Hankel 基质空间空间空间空间的较高空间来解决这个问题的非线性性, 在那里,它成为一个低级矩阵完成问题 $\ mathbf{A}, A\2,\ cdockf{A},\ mathbf{A}。 对于一个统一的和适应性的随机空间时间采样模型来说, 我们量化了过渡操作员的可恢复性, 以这些块- hankelk 基质存储器的不协调性测量。 对于图形转换操作员来说, 将它嵌入一个更高级的平面空间- 平面数据- helkrx, 将一个更合适的平流的平流的平流性轨道 。

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