Many well-known matrices $Z$ are associated to fast transforms corresponding to factorizations of the form $Z = X^J \ldots X^1$, where each factor $X^\ell$ is sparse and possibly structured. This paper investigates essential uniqueness of such factorizations. Our first main contribution is to prove that any $N \times N$ matrix having the so-called butterfly structure admits a unique factorization into $J$ butterfly factors (where $N = 2^J$), and that the factors can be recovered by a hierarchical factorization method. This contrasts with existing approaches which fit the product of the butterfly factors to a given matrix via gradient descent. The proposed method can be applied in particular to retrieve the factorizations of the Hadamard or the Discrete Fourier Transform matrices of size $2^J$. Computing such factorizations costs $\mathcal{O}(N^2)$, which is of the order of dense matrix-vector multiplication, while the obtained factorizations enable fast $\mathcal{O}(N \log N)$ matrix-vector multiplications. This hierarchical identifiability property relies on a simple identifiability condition in the two-layer and fixed-support setting that was recently established. While the butterfly structure corresponds to a fixed prescribed support for each factor, our second contribution is to obtain identifiability results with more general families of allowed sparsity patterns, taking into account permutation ambiguities when they are unavoidable. Typically, we show through the hierarchical paradigm that the butterfly factorization of the Discrete Fourier Transform matrix of size $2^J$ admits a unique sparse factorization into $J$ factors, when enforcing only $2$-sparsity by column and a block-diagonal structure on each factor.


翻译:许多众所周知的基质 $Z 与快速变换相对应的速变系数相对应: $Z = X ⁇ J\ ldots X ⁇ 1$, 其中每个因子 $X ⁇ ell$是稀疏的, 结构可能是结构化的。 此文件调查了这种因子化的基本独特性。 我们的第一个主要贡献是证明任何有所谓的蝴蝶结构的美元基质矩阵都承认一个独特的因子化为美元蝴蝶系数( 其中美元= 2 ⁇ J美元), 这些因素可以通过等级因子化方法恢复。 这与将蝴蝶因子因子的产物与通过梯度下降的基质矩阵进行匹配的现有方法形成对比。 这个方法可以特别用来检索Hadmard或Discrete Fourier变异矩阵的因子化值 2美元。 计算这样的因子化成本为 $\ mathaladal {O} ( N\ 2), 这是它们允许的基质化基质变变数的顺序, 而获得的因子化为快速的基质变数 {J} (nexlialaltyaltyal) asildal maxilizal maxxxl maxl maild 。

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