Low-rank pseudoinverses are widely used to approximate matrix inverses in scalable machine learning, optimization, and scientific computing. However, real-world matrices are often observed with noise, arising from sampling, sketching, and quantization. The spectral-norm robustness of low-rank inverse approximations remains poorly understood. We systematically study the spectral-norm error $\| (\tilde{A}^{-1})_p - A_p^{-1} \|$ for an $n\times n$ symmetric matrix $A$, where $A_p^{-1}$ denotes the best rank-\(p\) approximation of $A^{-1}$, and $\tilde{A} = A + E$ is a noisy observation. Under mild assumptions on the noise, we derive sharp non-asymptotic perturbation bounds that reveal how the error scales with the eigengap, spectral decay, and noise alignment with low-curvature directions of $A$. Our analysis introduces a novel application of contour integral techniques to the \emph{non-entire} function $f(z) = 1/z$, yielding bounds that improve over naive adaptations of classical full-inverse bounds by up to a factor of $\sqrt{n}$. Empirically, our bounds closely track the true perturbation error across a variety of real-world and synthetic matrices, while estimates based on classical results tend to significantly overpredict. These findings offer practical, spectrum-aware guarantees for low-rank inverse approximations in noisy computational environments.


翻译:低秩伪逆矩阵在可扩展机器学习、优化与科学计算领域被广泛用于逼近矩阵逆运算。然而,实际应用中的矩阵常因采样、草图化与量化过程而受到噪声干扰。低秩逆矩阵逼近在谱范数意义下的鲁棒性尚未得到充分理解。本文系统研究了n×n对称矩阵A的谱范数误差$\\| (\\tilde{A}^{-1})_p - A_p^{-1} \\|$,其中$A_p^{-1}$表示$A^{-1}$的最佳秩-p逼近,$\\tilde{A} = A + E$为含噪声观测矩阵。在噪声满足温和假设条件下,我们推导出精确的非渐近扰动界,揭示了误差如何随特征间隙、谱衰减特性以及噪声与A的低曲率方向对齐程度而变化。本分析创新性地将围道积分技术应用于非整函数$f(z) = 1/z$,所得误差界相较经典全逆矩阵界的简单适配改进达$\\sqrt{n}$倍。实证研究表明,对于各类真实场景与合成矩阵,本文所提边界能紧密跟踪实际扰动误差,而基于经典理论的估计往往显著高估误差。这些发现为噪声计算环境中的低秩逆矩阵逼近提供了具有谱感知特性的实用保证。

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