We analyze the popular kernel polynomial method (KPM) for approximating the spectral density (eigenvalue distribution) of a real symmetric (or Hermitian) matrix $A \in \mathbb{R}^{n\times n}$. We prove that a simple and practical variant of the KPM algorithm can approximate the spectral density to $\epsilon$ accuracy in the Wasserstein-1 distance with roughly $O({1}/{\epsilon})$ matrix-vector multiplications with $A$. This yields a provable linear time result for the problem. The KPM variant we study is based on damped Chebyshev polynomial expansions. We show that it is stable, meaning that it can be combined with any approximate matrix-vector multiplication algorithm for $A$. As an application, we develop an $O(n/\text{poly}(\epsilon))$ time algorithm for computing the spectral density of any $n\times n$ normalized graph adjacency or Laplacian matrix. This runtime is sublinear in the size of the matrix, and assumes sample access to the graph. Our approach leverages several tools from approximation theory, including Jackson's seminal work on approximation with positive kernels [Jackson, 1912], and stability properties of three-term recurrence relations for orthogonal polynomials.
翻译:我们用$A( {1} / $epsilon} 来分析瓦塞斯特因-1 距离的广受欢迎的内核多元度方法( KPM), 以约合光度密度( ephenval 分布 ), 或 Hermitian 矩阵( 或 Hermitian ) 的对称分布 $A $\ in\ mathb{R\\ { {n\ timen\ n} n$$。 我们证明, KPM 算法的一个简单而实用的变种, 可以将光度密度近似于 $A 。 作为应用程序, 我们开发了 $( n/\ text{ poly} $) 的矩阵- 反复乘法乘以$A$$( $) $( $) $( $) ) 。 由此得出一个可辨别的直线时间结果 。 我们研究的 KPM 变式以 Chebyshev 多元度扩展矩阵扩展为基数。 这意味着它可以与 基数的基数 基数的基数 基数 基数 基数 基数 基数 基数 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基, 基 基 基 基 基 基 基, 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 基 。