Sparse matrix factorization is the problem of approximating a matrix $\mathbf{Z}$ by a product of $J$ sparse factors $\mathbf{X}^{(J)} \mathbf{X}^{(J-1)} \ldots \mathbf{X}^{(1)}$. This paper focuses on identifiability issues that appear in this problem, in view of better understanding under which sparsity constraints the problem is well-posed. We give conditions under which the problem of factorizing a matrix into \emph{two} sparse factors admits a unique solution, up to unavoidable permutation and scaling equivalences. Our general framework considers an arbitrary family of prescribed sparsity patterns, allowing us to capture more structured notions of sparsity than simply the count of nonzero entries. These conditions are shown to be related to essential uniqueness of exact matrix decomposition into a sum of rank-one matrices, with structured sparsity constraints. In particular, in the case of fixed-support sparse matrix factorization, we give a general sufficient condition for identifiability based on rank-one matrix completability, and we derive from it a completion algorithm that can verify if this sufficient condition is satisfied, and recover the entries in the two sparse factors if this is the case. A companion paper further exploits these conditions to derive identifiability properties and theoretically sound factorization methods for multi-layer sparse matrix factorization with support constraints associated to some well-known fast transforms such as the Hadamard or the Discrete Fourier Transforms.


翻译:剖析矩阵因子化是一个问题, 问题在于以美元为稀释系数的产物, 以美元为基质 $mathbf{X{X{{{X{{(J)}}(J)}\mathbf{X{{(J-1)}}\ldotts\mathbf{X{{{{{{{{{(1)}美元为基质化。 本文侧重于这一问题中出现的可识别性问题, 因为在这种条件下, 将一个基质化的易识别性制约了问题。 我们给出了这样一些条件, 使将一个基质化的易懂性化问题变成 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \

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