We describe a method for unmixing mixtures of freely independent random variables in a manner analogous to the independent component analysis (ICA) based method for unmixing independent random variables from their additive mixtures. Random matrices play the role of free random variables in this context so the method we develop, which we call Free component analysis (FCA), unmixes matrices from additive mixtures of matrices. Thus, while the mixing model is standard, the novelty and difference in unmixing performance comes from the introduction of a new statistical criteria, derived from free probability theory, that quantify freeness analogous to how kurtosis and entropy quantify independence. We describe the theory, the various algorithms, and compare FCA to vanilla ICA which does not account for spatial or temporal structure. We highlight why the statistical criteria make FCA also vanilla despite its matricial underpinnings and show that FCA performs comparably to, and often better than, (vanilla) ICA in every application, such as image and speech unmixing, where ICA has been known to succeed. Our computational experiments suggest that not-so-random matrices, such as images and spectrograms of waveforms are (closer to being) freer "in the wild" than we might have theoretically expected.


翻译:我们用类似于独立部件分析法(ICA)的方法描述自由独立随机变量的混合混合方法。 随机矩阵在此背景下扮演自由随机变量的作用, 我们称之为自由组件分析法(FCA), 混合矩阵来自混合矩阵混合物。 因此, 虽然混合模型是标准的, 解混合性表现的新颖性和差异来自于引入新的统计标准, 源自自由概率理论, 将自由度量化到类似于Kurtisis 和 entropy 量化独立的方法。 我们描述理论, 各种算法, 并将FCA 与不考虑空间或时间结构的香草 ICA 进行比较。 我们强调为什么统计标准将FCA 也作为香草, 尽管其矩阵基础是数学的, 并显示 FCA 与( Vanilla) 的性能表现比( Vanilla) 还要好得多, 例如图像和语言不混合性, 我们的计算实验显示, “ 图像和光谱” 可能比我们所期望的图像和光谱。

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