稀疏信号恢复算法:凸松弛技术与性能保证
在信号处理与相关领域中,求解线性系统 $Ax = b$ 的稀疏解是一个关键问题。其中,(P0) 问题旨在找到具有最小非零元素数量的解,即最稀疏的解。但由于该问题在一般情况下是 NP 难的,通常会采用贪心算法或凸松弛技术来寻找近似解。
1. 凸松弛技术
考虑问题 (3.35),通过定义 $\tilde{x} = W^{-1}x$,可以将其重新表述为:
(P1) : $\min_{\tilde{x}} |\tilde{x}|_1$,约束条件为 $b = A W\tilde{x} = \tilde{A}\tilde{x}$。
这意味着可以对矩阵 $A$ 的列进行归一化,使用其归一化版本 $\tilde{A}$,从而得到经典的基追踪(Basis Pursuit,BP)格式。与贪心算法类似,找到解 $\tilde{x}$ 后,需要进行反归一化以得到所需的向量 $x$。因此,后续可以假设 (P1) 具有归一化矩阵的规范结构。
1.1 求解 (P1) 的数值算法
问题 (P1) 可以转化为线性规划(LP)问题,可使用现代内点法、单纯形法、同伦法等技术求解。这些算法比之前提到的贪心算法更复杂,但能得到定义良好的优化问题的全局解。不过,与贪心算法相比,实现这些技术的编程难度更大。
有许多成熟的软件包可用于处理此问题,例如:
- ℓ1 - magic(由 Candes 和 Romberg 开发)
- CVX 和 L1 - LS(由 Boyd 及其学生开发)
- Sparselab(由 David Donoho 管理)
- SparCo(由 Michael F
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