Many fundamental low-rank optimization problems, such as matrix completion, phase synchronization/retrieval, power system state estimation, and robust PCA, can be formulated as the matrix sensing problem. Two main approaches for solving matrix sensing are based on semidefinite programming (SDP) and Burer-Monteiro (B-M) factorization. The SDP method suffers from high computational and space complexities, whereas the B-M method may return a spurious solution due to the non-convexity of the problem. The existing theoretical guarantees for the success of these methods have led to similar conservative conditions, which may wrongly imply that these methods have comparable performances. In this paper, we shed light on some major differences between these two methods. First, we present a class of structured matrix completion problems for which the B-M methods fail with an overwhelming probability, while the SDP method works correctly. Second, we identify a class of highly sparse matrix completion problems for which the B-M method works and the SDP method fails. Third, we prove that although the B-M method exhibits the same performance independent of the rank of the unknown solution, the success of the SDP method is correlated to the rank of the solution and improves as the rank increases. Unlike the existing literature that has mainly focused on those instances of matrix sensing for which both SDP and B-M work, this paper offers the first result on the unique merit of each method over the alternative approach.


翻译:许多根本性的低层次优化问题,如矩阵完成、阶段同步/回收、电力系统国家估计和稳健的五氯苯甲醚等,都可作为矩阵感测问题。解决矩阵感测的两种主要方法基于半不完全程序(SDP)和布勒-蒙泰罗(B-M)的因数化。SDP方法存在高计算和空间复杂性,而B-M方法则可能由于问题不协调而返回一个虚假的完成问题,而B-M方法可能由于问题不协调而使B-M方法产生高度稀少的完成问题。目前对这些方法的成功的理论保证导致了类似的保守条件,这可能错误地意味着这些方法具有相似的效绩。在本文件中,我们揭示了这两种方法之间的一些重大差异。首先,我们提出了一组结构化的矩阵完成问题,而B-M方法在极有可能以极大的可能性失败,而而SDP方法的正确性能则可能返回到一个高度稀少的矩阵问题,而B-M方法和SDP方法的失败。第三,尽管B-M方法显示的性能与未知的解决办法的等级不同,而SDP方法的成功主要在于S-DP方法与S-DP方法在每一种形式上的结果。

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