<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2023.1205959</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Algorithm unfolding for block-sparse and MMV problems with reduced training overhead</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Hauffen</surname> <given-names>Jan Christian</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2058892/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Jung</surname> <given-names>Peter</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/557504/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>M&#x000FC;cke</surname> <given-names>Nicole</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Electrical Engineering and Computer Science, Communications and Information Theory, Technical University Berlin</institution>, <addr-line>Berlin</addr-line>, <country>Germany</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Institute of Optical Sensor Systems, German Aerospace Center (DLR)</institution>, <addr-line>Berlin</addr-line>, <country>Germany</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Institute for Mathematical Stochastics, Carl-Friedrich-Gau&#x000DF;-Faculty, Technical University Brunswick</institution>, <addr-line>Brunswick</addr-line>, <country>Germany</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Holger Rauhut, RWTH Aachen University, Germany</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Junhong Lin, Zhejiang University, China; Stefan Kunis, Osnabr&#x000FC;ck University, Germany</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Jan Christian Hauffen <email>j.hauffen&#x00040;tu-berlin.de</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>11</day>
<month>12</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>1205959</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>04</month>
<year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>17</day>
<month>10</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2023 Hauffen, Jung and M&#x000FC;cke.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Hauffen, Jung and M&#x000FC;cke</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract>
<p>In this study, we consider algorithm unfolding for the multiple measurement vector (MMV) problem in the case where only few training samples are available. Algorithm unfolding has been shown to empirically speed-up in a data-driven way the convergence of various classical iterative algorithms, but for supervised learning, it is important to achieve this with minimal training data. For this, we consider learned block iterative shrinkage thresholding algorithm (LBISTA) under different training strategies. To approach almost data-free optimization at minimal training overhead, the number of trainable parameters for algorithm unfolding has to be substantially reduced. We therefore explicitly propose a reduced-size network architecture based on the Kronecker structure imposed by the MMV observation model and present the corresponding theory in this context. To ensure proper generalization, we then extend the analytic weight approach by Liu and Chen to LBISTA and the MMV setting. Rigorous theoretical guarantees and convergence results are stated for this case. We show that the network weights can be computed by solving an explicit equation at the reduced MMV dimensions which also admits a closed-form solution. Toward more practical problems, we then considered convolutional observation models and show that the proposed architecture and the analytical weight computation can be further simplified and thus open new directions for convolutional neural networks. Finally, we evaluate the unfolded algorithms in numerical experiments and discuss connections to other sparse recovering algorithms.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>unfolding</kwd>
<kwd>compressed sensing</kwd>
<kwd>multiple measurement vector problem</kwd>
<kwd>deep learning</kwd>
<kwd>block-sparsity</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="3"/>
<table-count count="1"/>
<equation-count count="77"/>
<ref-count count="37"/>
<page-count count="12"/>
<word-count count="7103"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Mathematics of Computation and Data Science</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>This study connects the multiple measurement vector (MMV) problem, block- or joint-sparsity and recent results of deep unfolding of the iterative shrinkage thresholding algorithm (ISTA) to reconstruct unknown joint-sparse vectors from given linear observations. Such vectors could be, for example, signals received at the different antennas in a wireless communication problem or, in a computational imaging setup, discrete images observed at different detectors or aggregation stages. Compressed sensing is a way to reconstruct compressive measurements from their underdetermined systems and first theoretical breakthroughs were achieved by Cand&#x000E9;s et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] and Donoho [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], leading to an approach where fewer samples can be used, than stated within the Nyquist&#x02013;Shannon sampling theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. They were able to show that unknown vectors can be reconstructed using convex optimization if the linear mapping fulfilled certain assumptions [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. These idea rely on minimizing &#x02113;<sub>1</sub>-norm to promote sparsity and the approach of basis pursuit [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. These convex optimization problems could then be solved with iterative algorithms, in Figueiredo et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] gradient projection approaches are presented and in Fornasier and Rauhut [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] the idea of thresholding algorithms, which will be also discussed in this study. Although this is already a well researched field, in practice leading to high computational effort because of many iterations and large underlying systems and is thus not suitable for real-world applications. Thus, Karol Gregor and Yann LeCun proposed to use the iterative structure of these algorithms for a neural network and to train each iteration step [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], which is also referred to as deep unfolding and will be discussed in Section 2. Convergence for deep unfolding of the iterative thresholding algorithm has also been studied by Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] proposed in to exclude the weight matrix from the data-driven optimization approach and pre-compute this by data-free optimization and thus presented Analytical LISTA (ALISTA). In recent results, Chen et al. could reduce the training procedure even more, by showing that only tuning three hyperparameters is sufficient, proposing HyperLISTA [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Creating large sets of training data is often difficult in practice, and thus, it is important to reduce the trainable parameters. Therefore, we will extend the already stated concepts for the block-sparse setting and especially for the multiple measurement vector problem, developing suitable learned algorithms, with only a few trainable parameters and similar theoretical guarantees as ALISTA.</p>
<sec>
<title>1.1 Multiple measurement vector problems</title>
<p>Multiple measurement vector (MMV) problems occur in many applications, for example, in tomography [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], communication [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], blurred image reconstruction, or superresolution [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. In the following, we derive the connection to block-sparsity. In an MMV problem, we assume that we derived <italic>d</italic> &#x02208; &#x02115; measurements <italic>y</italic><sup><italic>l</italic></sup> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>m</italic></sup>, <italic>l</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>d</italic> from <italic>d</italic> sparse signal vectors <italic>x</italic><sup><italic>l</italic></sup> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> sharing the same support <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is referred to as joint-sparsity [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. The MMV problem can then be presented as solving the following <italic>d</italic> equations</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>l</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>d</italic> and with <italic>K</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>m</italic>&#x000D7;<italic>n</italic></sup>. This can be rewritten in the following matrix equation form</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M3"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x01EBC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>X</italic> &#x0003D; (<italic>x</italic><sup>1</sup>, &#x02026;, <italic>x</italic><sup><italic>d</italic></sup>) &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic>&#x000D7;<italic>d</italic></sup>, <italic>Y</italic> &#x0003D; (<italic>y</italic><sup>1</sup>, &#x02026;, <italic>y</italic><sup><italic>d</italic></sup>) &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>m</italic>&#x000D7;<italic>d</italic></sup>. With the vectorizing operator vec(&#x000B7;), stacking each column of a matrix on each other, we can cast Equation (2) into a block-sparse problem. We have</p>
<disp-formula id="E3"><mml:math id="M4"><mml:mtable columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021D4;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021D4;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">vec</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x02297;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">vec</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we used the well-known vectorization property of matrix equations, see for example Schacke [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. Here, &#x02297; is the Kronecker product. The vector <italic>x</italic> &#x0003D; vec(<italic>X</italic><sup><italic>T</italic></sup>) is block-sparse with <italic>n</italic> blocks of length <italic>d</italic>, if the signals <italic>x</italic><sup><italic>l</italic></sup> are jointly sparse. With <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x02297;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where <italic>n</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; <italic>m</italic> &#x000B7; <italic>d</italic> and <italic>n</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; <italic>n</italic> &#x000B7; <italic>d</italic>, we obtain the block-sparse setting considered in this work.</p>
</sec>
<sec>
<title>1.2 Block sparsity</title>
<p>In the more general setting, we want to reconstruct an unknown vector <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> from a given matrix <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and given <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></p>
<disp-formula id="E4"><label>(3)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <italic>n</italic><sub><italic>x</italic></sub> &#x0003D; <italic>nd, n</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003D; <italic>md</italic> for some <italic>n, m, d</italic> &#x02208; &#x02115;. We assume that noise <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is added to <italic>Dx</italic>. In applications, we often have this problem is ill-posed, i.e., <italic>n</italic><sub><italic>y</italic></sub> &#x0003C; <italic>n</italic><sub><italic>x</italic></sub> or <italic>D</italic> is not invertible. We assume that <italic>x</italic> is the concatenation of <italic>n</italic> &#x0201C;smaller&#x0201D; vectors of length <italic>d</italic>, called blocks, i.e., <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>d</italic></sup>,</p>
<disp-formula id="E5"><label>(4)</label><mml:math id="M11"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder accentunder="false"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder accentunder="false"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder accentunder="false"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Following the notation in Yonina and Eldar [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], we define</p>
<disp-formula id="E6"><mml:math id="M12"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>I</italic>(&#x02016;<italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub> &#x0003E; 0) &#x0003D; 1 if &#x02016;<italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub> &#x0003E; 0 and equal to zero otherwise and the &#x02113;<sub>2</sub>-norm is defined as <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We call <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> <italic>s</italic>-block-sparse if &#x02016;<italic>x</italic>&#x02016;<sub>2,0</sub> &#x02264; <italic>s</italic>. Similar to Equation (4), we can construct the matrix <italic>D</italic> in Equation (3) from <italic>n</italic> &#x0201C;smaller&#x0201D; matrices <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>n</italic></p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M16"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Without loss of generality, we can assume that these blocks are orthonormal, see Yonina and Eldar [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], i.e., <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub> is the <italic>d</italic> &#x000D7; <italic>d</italic> identity matrix. This assumption simplifies the presentation of several statements below.</p>
<p>Definition 1. The block-coherence of a matrix <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is defined as</p>
<disp-formula id="E8"><label>(5)</label><mml:math id="M19"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here, we use <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, where &#x003BB;<sub><italic>max</italic></sub> denotes the largest eigenvalue of matrix <italic>A</italic><sup><italic>T</italic></sup><italic>A</italic>. Note that the block coherence can also be introduced with a normalization factor 1/(&#x02016;<italic>D</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub>&#x02016;<italic>D</italic>[<italic>j</italic>]&#x02016;<sub>2</sub>), but since we assume orthonormal blocks, we can neglect this. This reduces to the already known coherence &#x003BC; for <italic>d</italic> &#x0003D; 1</p>
<disp-formula id="E9"><mml:math id="M21"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>D</italic><sub>:, <italic>i</italic></sub> denotes the <italic>i</italic>th column of <italic>D</italic>, see Donoho et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. In Yonina and Eldar [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], it is shown that 0 &#x02264; &#x003BC;<sub><italic>b</italic></sub>(<italic>D</italic>) &#x02264; &#x003BC;(<italic>D</italic>) &#x02264; 1, and it is possible to derive recovery statements for small &#x003BC;<sub><italic>b</italic></sub> similar to &#x003BC;, for details see Yonina and Eldar [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. We can consider also the cross block coherence, which compares two matrices and will be important in the following.</p>
<p>Definition 2. For <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> the cross block coherence is defined as</p>
<disp-formula id="E10"><label>(6)</label><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Similar to ordinary basis pursuit and LASSO [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>], we use the following &#x02113;<sub>2,1</sub>-LASSO to solve Equation (3)</p>
<disp-formula id="E11"><label>(7)</label><mml:math id="M25"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the &#x02113;<sub>2,1</sub>-norm of <italic>x</italic>, which will promote block-sparsity for the solution of Equation (7). This convex programm can be solved by the fixed point iteration known as the block iterative shrinkage thresholding algroithm (Block-ISTA/BISTA):</p>
<disp-formula id="E12"><label>(8)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003B7;<sub>&#x003B1;</sub> is the block-soft-thresholding operator, given as</p>
<disp-formula id="E13"><label>(9)</label><mml:math id="M28"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">max</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>BISTA is an already well-studied proximal gradient algorithm based on the functional in Equation (7). It is known that the fixed point iteration in Equation (8) converges for <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the Lipschitz constant of the least squares term in Equation (7) w.r.t to <italic>x</italic>, to a solution of Equation (7), if at least one solution exists, see for example Byrne [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>], Bauschke et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], and Beck [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. On the other hand, the choice of the regularization parameter &#x003B1; has to be done empirically and is very crucial for a &#x0201C;good&#x0201D; recovery. If &#x003B1; is set too large, this can lead to too much damping, possibly setting blocks to 0 that actually have a non-zero norm. If &#x003B1; is too small, we get reverse effects. In practice, this leads to problems since computing the iterations require high computational effort. Deep unfolding is a way to tackle these problems, i.e., reduce the number of iterations by learning optimal regularization parameters and step-sizes. There are already classical concepts in increasing the convergence speed by using an additional step in updating the current iterate <italic>x</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup>, by using the previous <italic>x</italic><sup>(<italic>k</italic>&#x02212;1)</sup>, resulting in Block Fast ISTA [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>]. On the other hand, the choice of optimal parameters is still solved empirically.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Deep unfolding and learned BISTA</title>
<p>Recently, the idea of deep unfolding has been developed, where the goal is to optimize these parameters of such an iterative algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]. This in turn gives us an iterative algorithm with optimal chosen step-size &#x003B3; and regularization parameters, but we will see that we do not have to restrict our self only to those parameters. Recently, Fu et al. proposed Ada-BlockLISTA by applying deep unfolding to block-sparse recovery [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. They show an increase in the convergence speed with numerical examples but do not cover theoretical studies.</p>
<p>In the following, we are going to present the idea of deep unfolding, then we are going to derive Learned BISTA (LBISTA).</p>
<sec>
<title>2.1 Deep unfolding</title>
<p>We will now formalize the concept of deep unfolding for an arbitrary operator that depends on a certain set of parameters, before we apply this to the previously presented fixed point iteration. To this end, we define an operator</p>
<disp-formula id="E14"><label>(10)</label><mml:math id="M31"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which depends on a set of parameters &#x003B8; &#x02208; &#x00398;, such as the stepsize of a gradient descent operator and an input <italic>y</italic>. For example, for BISTA, this would be &#x003B8; &#x0003D; (&#x003B1;, &#x003B3;) with</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M32"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We assume that Fix(<italic>T</italic>(&#x000B7;;&#x003B8;, <italic>y</italic>)) &#x02260; &#x02205; and that we have convergence for the fixed point iteration</p>
<disp-formula id="E16"><label>(11)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for an arbitrary <italic>x</italic><sup>(0)</sup> &#x02208; <italic>X</italic>. Deep unfolding now interprets each iteration step as the layer of a neural network and uses the parameters &#x003B8; &#x02208; &#x00398; as trainable variables. In more detail, this means we look at the <italic>K</italic>th iteration of Equation (11), i.e., the composition</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M34"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder accentunder="false"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">times</mml:mtext></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for some <italic>K</italic> &#x02208; &#x02115;. By unfolding this iterative scheme, we define</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M35"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>k</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>K</italic> and set &#x003B8;<sup>(<italic>k</italic>)</sup> as the set of trainable variables in this operator, so they can vary in each iteration step. For example, in LBISTA, we will get &#x003B8;<sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; (&#x003B1;<sup>(<italic>k</italic>)</sup>, &#x003B3;<sup>(<italic>k</italic>)</sup>) in the later called tied case. With this we get the following composition</p>
<disp-formula id="E19"><label>(12)</label><mml:math id="M36"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and define the operator</p>
<disp-formula id="E20"><label>(13)</label><mml:math id="M37"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo><mml:mo>&#x02218;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we get the full parameter space <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x00398;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo>&#x022EF;</mml:mo><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with trainable variables <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> will then be the neural network which will be trained with respect to <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. So in the end, after training, we have an iterative algorithm with fixed but optimized parameters. It seems thus that deep unfolding can be applied to any iterative algorithm and help us to estimate the best choice of parameters, but we will only present deep unfolding for BISTA and consider deep unfolding for arbitrary operators in future studies.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.2 Learning</title>
<p>In this section, we give an overview for the training procedure used in this study. The general idea of supervised learning is to choose model parameters such that the predictions are close, in some sense, to the unknown target, i.e., in our case, the unknown vector <italic>x</italic> in Equation (3) generating the measurement <italic>y</italic>. Hence, we aim to minimize an expected loss over an unknown distribution <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:</p>
<disp-formula id="E21"><label>(14)</label><mml:math id="M43"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x1D53C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x002DC;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x02113;(&#x000B7;) is a given loss function, <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the output of the model, and <italic>x</italic><sup>&#x0002A;</sup> is the ground-truth. Here, we will use the squared &#x02113;<sub>2</sub>-loss <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The objective functional <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x1D53C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x002DC;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is also called risk of the model. Since the underlying distribution <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unknown, we take a batch of <italic>S</italic> independently drawn samples of input and output data <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>j</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>n</italic><sub><italic>train</italic></sub> according to Equation (3) and minimize instead data-driven the empirical risk</p>
<disp-formula id="E22"><label>(15)</label><mml:math id="M49"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Proceeding in this way for all layer at once is sometimes referred as end-to-end learning. Because of the special structure of our deep unfolding models, and inspired by Musa et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], we instead train the network layer-wise, by optimizing only <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for layer <italic>k</italic> yielding the following training procedure: Let <italic>k</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>K</italic>},</p>
<disp-formula id="E23"><mml:math id="M53"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x1D53C;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x02113;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the output of the <italic>k</italic>th layer. We realized this training as follows, we generate a validation set <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">validation</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">validation</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, used to evaluate the model while training and a training set <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">train</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">train</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>n</italic><sub><italic>train</italic></sub>, used to calculate (15). This objective is locally minimized by gradient descent methods. As a stopping criteria, we evaluate the normalized mean square error, defined as</p>
<disp-formula id="E24"><mml:math id="M57"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>depending on the validation set, and stop if the maximum of all evaluated <italic>NMSE</italic> stays the same for a given number of iterations. See <xref ref-type="table" rid="T2">Algorithm 1</xref>, where <italic>Adam</italic> is the ADAM Optimizer [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] depending on an training rate <italic>t</italic><sub><italic>r</italic></sub> and the functional which should be minimized with respect to given variables, here the loss function &#x02113;(&#x000B7;) with respect to &#x003B8;<sup><italic>k</italic>&#x02212;1</sup>.</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Algorithm 1</label>
<caption><p>Training.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1205959-i0001.tif"/>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>2.3 Learned BISTA</title>
<p>In the following, we present four different unfolding techniques for BISTA. We present a <underline>tied</underline> (weights are shared between different layers) and <underline>untied</underline> (individual weights per layer) case, which refers to different training approaches</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M58"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold>Tied LBISTA:</bold> The idea of LBISTA is now to fix the matrices <italic>S</italic> and <italic>B</italic> for all layers but also include them in our set of trainable variables:</p>
<disp-formula id="E26"><label>(16)</label><mml:math id="M59"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For LBISTA (Equation 16), we get trainable variables</p>
<disp-formula id="E27"><mml:math id="M60"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we initialize <italic>S</italic> &#x0003D; <italic>I</italic> &#x02212; <italic>B</italic><sup><italic>T</italic></sup><italic>D</italic> and <italic>B</italic> &#x0003D; &#x003B3;<italic>D</italic>. Algorithm (16) is also referred to as vanilla LISTA in the sparse case. Inspired by the LISTA-CP model, i.e., LISTA with coupled parameters, proposed in Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], we will also consider LBISTA-CP</p>
<disp-formula id="E28"><label>(17)</label><mml:math id="M61"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For LBISTA-CP (Equation 17), we get</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M62"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we initialize <italic>B</italic> &#x0003D; <italic>D</italic>.</p>
<p><bold>Untied LBISTA:</bold> The idea of untied LBISTA is then to use in each layer different matrices <italic>S</italic> and <italic>B</italic> to train, i.e.,</p>
<disp-formula id="E30"><label>(18)</label><mml:math id="M63"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For LBISTA (untied) Equation (18), we get trainable variables</p>
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M64"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we initialize <italic>S</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; <italic>I</italic> &#x02212; <italic>B</italic><sup><italic>T</italic></sup><italic>D</italic> and <italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; &#x003B3;<italic>D</italic> for every <italic>k</italic> &#x0003D; 0, &#x02026;, <italic>K</italic> &#x02212; 1. Inspired by Algorithm (17), we will also consider Algorithm (19), which will be referred to as LBISTA-CP (untied), [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]:</p>
<disp-formula id="E32"><label>(19)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>For LBISTA-CP (untied) (Equation 19), we get</p>
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M66"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we initialize <italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; <italic>D</italic> for every <italic>k</italic> &#x0003D; 0, &#x02026;, <italic>K</italic> &#x02212; 1. Hence, compared to <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> parameters in the tied case, now more training data and longer training time is required to train now <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> parameters.</p>
<p>We initialize the trainable variables with values from original BISTA. In Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], it has been shown that convergence of LISTA-CP (untied) can be guaranteed if the matrices <italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> belong to a certain set and their proof can be extended to block-sparsity. The steps are very similar to the convergence proof for learned block analytical ISTA given in the next section.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Analytical LBISTA</title>
<p>In the previous section, we presented several approaches for learned BISTA where optimal weights are optimized in a data-driven fashion. In Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] instead proposed to analytically pre-compute the weights and only train step-size and threshold parameters. It turns out that this <underline>Analytic LISTA</underline> (ALISTA) with the so called analytical weight matrix is as good as the learned weights. In the following, we are going to extend and improving the theoretical statements for ALISTA to the block-sparse case and propose analytical LBISTA. In contrast to Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], we will provide a direct solution and also show different ways to calculate the analytical weight matrix in different settings.</p>
<sec>
<title>3.1 Upper and lower bound</title>
<p>This part of the study will focus on combining and extending several theoretical statements from Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] and Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and applying these for the block-sparse case. With the following two theorems, we are then going to present analytical LBISTA, by showing that this is as good as LBISTA-CP (untied) with a pre-computed <italic>B</italic>.</p>
<sec>
<title>3.1.1 Upper bound</title>
<p>In this section, we start with an upper bound for the error of the approximation generated by Equation (19), i.e., LBISTA-CP (untied), and the exact solution <italic>x</italic><sup>&#x0002A;</sup> for given parameters. For this, we modify Assumption 1 from Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] to be consistent with the block-sparse setting.</p>
<p>Assumption 1. We assume <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with</p>
<disp-formula id="E34"><mml:math id="M70"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd columnalign="left"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E35"><label>(20)</label><mml:math id="M71"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>As already mentioned, a matrix with small block-coherence has good recovery conditions. In Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] proposed analytical LISTA, where the pre-computed matrix <italic>B</italic> is minimizing the mutual cross-coherence. This motivates the following definition.</p>
<p>Definition 3. With <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we define the generalized mutual block-coherence</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M73"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E37"><label>(21)</label><mml:math id="M74"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We define, analogously to Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] with <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the set of all <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> which attain the infimum in Equation (21), i.e., <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Note that the set <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is non-empty because the set of feasible matrices <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains at least <italic>D</italic> because we assume <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, also <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and therefore, Equation (21) is a feasible and bounded program, see Supplementary material to [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. We will call matrices from <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> analytical weight matrices.</p>
<p>Definition 4. The block-support of a block-sparse-vector <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as</p>
<disp-formula id="E38"><label>(22)</label><mml:math id="M84"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">supp</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We will now derive an upper bound for the &#x02113;<sub>2</sub>-error and thus showing convergence of LBISTA-CP for a special matrix <italic>B</italic> and given parameters &#x003B1;<sup>(<italic>k</italic>)</sup> and &#x003B3;<sup>(<italic>k</italic>)</sup>. In [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], Liu et al. showed linear convergence for unfolded ISTA with additional noise, more precivesly for LISTA-CP (untied), if the matrices <italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> belonged to a certain set. In Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], it was shown that we can pre-compute such a matrix <italic>B</italic>, chose <italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; <italic>B</italic>, chosen by a data-free optimization problem and still have the same performance. For this, new proposed unfolded algorithm linear convergence was also shown, without additional noise. In Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], convergence only in the noiseless case was shown, but the results derived in Chen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] were derived with bounded noise. Thus, we are going to combine these two proofs and extend it to block-sparsity:</p>
<p>For given (<italic>x</italic>, &#x003F5;), <italic>y</italic> &#x0003D; <italic>Dx</italic> &#x0002B; &#x003F5; and parameters <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, we abbreviate with <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> the sequence generated by (19) with <italic>x</italic><sup>(0)</sup> &#x0003D; 0. Further, we define</p>
<disp-formula id="E39"><label>(23)</label><mml:math id="M87"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Theorem 1. For any <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and any sequence <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and parameters (<italic>B</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup>: &#x0003D; <italic>B</italic>, &#x003B1;<sup>(<italic>k</italic>)</sup>, &#x003B3;<sup>(<italic>k</italic>)</sup>), for <italic>k</italic> &#x02264; <italic>K</italic>, with</p>
<disp-formula id="E40"><label>(24)</label><mml:math id="M90"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for some &#x003BA; &#x02265; 1, with <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With <italic>M</italic> &#x0003E; 0 and <italic>s</italic> &#x0003C; (&#x003BC;<sup>&#x02212;1</sup> &#x0002B; 1)/2, we have</p>
<disp-formula id="E41"><label>(25)</label><mml:math id="M92"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">supp</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02282;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">supp</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>&#x1D54A;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E42"><label>(26)</label><mml:math id="M93"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mi>&#x000E3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M94"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mi>&#x000E3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M95"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x000E3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign="left"><mml:mtd columnalign="left"><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Note that in the noiseless case and with &#x003BA; &#x0003D; 1, we obtain the results in Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. However, from the latter theorem, it follows that one can relax this condition to &#x003BA; &#x0003E; 1. We also see from the proof of Theorem 1 that one needs at least <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> to have Equation (25). On the other hand, one can always find such a &#x003BA; from the trained (and then fixed) parameters and thus use therefore the theorem afterward. Obviously, a worse &#x003B1; effects the upper bound of the &#x02113;<sub>2</sub>-error and thus appears in &#x000E3;(&#x003C4;). Summarizing, above theorem shows now convergence on the training set even if &#x003BA; &#x02260; 1.</p>
</sec>
<sec>
<title>3.1.2 Lower bound</title>
<p>This section states the lower bound for the &#x02113;<sub>2,1</sub>-error, showing that for convergence in the &#x02113;<sub>2,1</sub>-norm the defined parameters in Theorem 1 are optimally chosen. We now modify Assumption 2 from Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] to be consistent with the block-sparse setting.</p>
<p>Assumption 2. <italic>x</italic><sup>&#x0002A;</sup> is sampled from <italic>P</italic><sub><italic>X</italic></sub>. <italic>P</italic><sub><italic>X</italic></sub> satisfies: 2 &#x02264; &#x1D54A; &#x02264; <italic>s</italic> and &#x1D54A; is uniformly distributed over the whole index set. The non-zero blocks of <italic>x</italic><sup>&#x0002A;</sup> satisfy the uniform distribution and &#x02016;<italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub> &#x02264; <italic>M</italic> for all <italic>i</italic> &#x02208; &#x1D54A;. And we assume, &#x003F5; &#x0003D; 0.</p>
<p>The latter theorem states that the analytical weight matrix should minimize the generalized mutual block coherence. Therefore, for a lower bound, we will only consider matrices that are bounded away from the identity.</p>
<p>Definition 5. With <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <italic>s</italic> &#x02264; 2, <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we set</p>
<disp-formula id="E45"><label>(27)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E46"><mml:math id="M100"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi mathvariant='double-struck'>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The parameters are chosen from the following set.</p>
<p>Definition 6. Let <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> be generated by <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <italic>x</italic><sup>(0)</sup> &#x0003D; 0. We define the set of all parameters guaranteeing no false positive blocks in <italic>x</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> by</p>
<disp-formula id="E47"><label>(28)</label><mml:math id="M104"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E48"><mml:math id="M105"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">supp</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>&#x02282;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This set is non-empty since Equation (25) holds true if &#x003B1;<sup>(<italic>k</italic>)</sup> are chosen large enough. Following mainly the proof in Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] by extending the setting from sparsity to block-sparsity, the lower bound for the &#x02113;<sub>2,1</sub>-norm can be stated as follows.</p>
<p>Theorem 2. Let <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> be generated by <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Under Assumptions 2, <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">min</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and &#x003F5; &#x0003E; 0, we have</p>
<disp-formula id="E49"><label>(29)</label><mml:math id="M109"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with probability <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>3.2 Analytical LBISTA</title>
<p>Analogously to Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and following the previous two theorems, decompose LBISTA-CP (untied), Algorithm 17, into two steps:</p>
<disp-formula id="E50"><label>(30)</label><mml:math id="M112"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where, in the first step, <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is pre-computed, such that</p>
<disp-formula id="E51"><mml:math id="M114"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In the second step, the parameters <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are trained layer wise, as discussed in the previous section. This results in a comparable method, with only <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> trainable parameters, instead of <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for LBISTA-CP (Equation 17) or even <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for LBISTA (untied) Equation 18.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Computing the analytical weight matrix</title>
<p>ALBISTA relies on the analytical weight matrix, deriving this matrix can be challenging in practice, thus this section focuses on computing this matrix. We follow the procedure in Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] by estimating Equation (21) with an upper bound. But in addition to Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], we state a closed form for the upper bound, and currently, this is done by a projected gradient descent approach.</p>
<sec>
<title>4.1 Solving an upper bound</title>
<p>Since the objective in Equation (21) is not differentiable, one solves the following upper bound problem</p>
<disp-formula id="E52"><label>(31)</label><mml:math id="M119"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E53"><mml:math id="M120"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">s.t.</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This is derived from the following inequality</p>
<disp-formula id="E54"><mml:math id="M121"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], this is solved by a projected gradient method, but since this is a constrained linear least squares problem in the vector space of matrices with Frobenius inner product the following Theorem states a closed form of the solution of Equation (31).</p>
<p>Theorem 3. The minimizer <inline-formula><mml:math id="M122"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> of Equation (31) is given as the concatenation</p>
<disp-formula id="E55"><mml:math id="M123"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where the <italic>n</italic> blocks are given as</p>
<disp-formula id="E56"><mml:math id="M124"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="E57"><mml:math id="M125"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>i</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>n</italic>.</p>
<p>The proof can be found in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix C</xref>.</p>
<p>Let <italic>d</italic> &#x0003D; 1 and the singular value decomposition of <italic>D</italic> given as <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>V&#x003A3;U</italic><sup><italic>T</italic></sup> and assume <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Then, the solution of Equation (31) is given in an even simpler form since</p>
<disp-formula id="E58"><mml:math id="M127"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x003A3;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Choosing <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., a normalized pseudo-inverse, yields also a solution for Equation (31). Here, <italic>diag</italic> follows the matlab/python notation, where <italic>diag</italic> of a matrix gives the vector of the main diagonal and gives a diagonal matrix with a given vector on its main diagonal. For <italic>d</italic> &#x02265; 2, the orthonormal block constraints in Equation (31) would not be met since with this construction we can only guarantee that the diagonal elements of <italic>B</italic><sup><italic>T</italic></sup><italic>D</italic> are equal to one but cannot control what happens on the off-diagonal, thus not yielding a feasible solution.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2 Computing the analytical weight matrix in a MMV problem</title>
<p>In practice, often large data sets are obtained, i.e., by a large amount of measurements or measurements <italic>y</italic><sup><italic>l</italic></sup>, <italic>x</italic><sup><italic>l</italic></sup> representing pictures. For instance, 1, 000 pixels and 200 measurements lead to a matrix <italic>D</italic> with (1, 000&#x000B7;200)<sup>2</sup> elements. Applying the theory for analytical LBISTA could thus be difficult in practice. Although D is sparse, it can take a long time to calculate the analytical weight matrix. The following Theorem states the connection between the MMV setting and the block sparse setting for ALBISTA, showing that it is sufficient to minimize the generalized mutual coherence Equation (32), see Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], for <italic>K</italic> instead of minimizing the generalized mutual block-coherence (Equation 21) for <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>K</italic> &#x02297; <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub>. Moreover, in many applications the measurement model involves convolutions, see for example Ahmadi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], so we conclude this section by considering the cases where <italic>K</italic> is a circular or Toeplitz matrix.</p>
<p>Theorem 4. Let <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> attain the minimum in</p>
<disp-formula id="E59"><label>(32)</label><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> refers to the <italic>i</italic>th column. Then the minimum of</p>
<disp-formula id="E60"><mml:math id="M133"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>is given as <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02297;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, if <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>K</italic> &#x02297; <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub>.</p>
<p>The proof can be found in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix D</xref>. Moreover, the following relation holds, if <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>K</italic> &#x02297; <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub>,</p>
<disp-formula id="E61"><mml:math id="M135"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>thus, the block-coherence of <italic>D</italic> can be enhanced by increasing the number of measurements <italic>d</italic>. It is feasible to solve Equation (31) by the pseudo inverse in the MMV setting, since this is solved for <italic>K</italic>, i.e., <italic>d</italic> &#x0003D; 1</p>
</sec>
<sec>
<title>4.3 Circular matrix case</title>
<p>Consider now the following setting, where the measurements <italic>y</italic><sup><italic>l</italic></sup> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> are obtained by a circular convolution of <italic>x</italic><sup><italic>l</italic></sup> with vector <italic>k</italic>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E62"><label>(33)</label><mml:math id="M136"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0229B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E63"><mml:math id="M137"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>K</italic> is a circular matrix generated by a vector <italic>k</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>, i.e., <italic>K</italic> &#x0003D; <italic>circ</italic>(<italic>k</italic>) &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic>&#x000D7;<italic>n</italic></sup>. Applying Theorem 3 to the circular case yields the following lemma.</p>
<p>Lemma 1. Let <italic>k</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> and let <italic>B</italic> &#x0003D; <italic>circ</italic>(<italic>b</italic>) &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic>&#x000D7;<italic>n</italic></sup> where <italic>b</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> is given by</p>
<disp-formula id="E64"><label>(34)</label><mml:math id="M138"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>K</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>b</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>&#x003BB; &#x02208; &#x0211D;. Then, <italic>B</italic> attains the minimum in Equation (31).</p>
<p>The latter statement implies a simpler way to compute <italic>b</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> by using singular value decomposition</p>
<disp-formula id="E65"><mml:math id="M139"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02299;</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003C3;(<italic>B</italic>) &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> is the vector of singular values of <italic>B</italic>, respectively <italic>K</italic>, filled with zeros and <italic>U</italic> an unitary matrix. With <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <italic>F</italic> is the Discrete Fourier Transform (DFT) matrix, this leads to the conclusion <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and thus</p>
<disp-formula id="E66"><label>(35)</label><mml:math id="M142"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M143"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The expression <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> should be interpreted point wise and to be zero if <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This also concludes that the computation of <italic>B</italic> tends to be difficult in practice if <italic>K</italic> has not full rank, since this means that <inline-formula><mml:math id="M146"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> has at least one zero entry. In this case, b has to be scaled with <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> since</p>
<disp-formula id="E67"><mml:math id="M148"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover class="overset"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec>
<title>4.4 Toeplitz matrix case</title>
<p>Considering the more general convolutional setting,</p>
<disp-formula id="E68"><label>(36)</label><mml:math id="M149"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M150"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <italic>x</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup> with <inline-formula><mml:math id="M151"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This results in a Toeplitz matrix <italic>K</italic></p>
<disp-formula id="E69"><mml:math id="M152"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The reasoning of the previous section cannot be applied to show that the solution of Equation (31) must be a Toeplitz matrix. But the following can be observed: Let <italic>b</italic> be constructed as discussed for <inline-formula><mml:math id="M153"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>(<underline><italic>k</italic></underline>), where <underline><italic>k</italic></underline> is the concatenation of <italic>k</italic> and a zero vector of suitable dimensions, i.e., the first column of <italic>K</italic>. The analytical weight matrix <italic>B</italic> w.r.t. <italic>K</italic> can be constructed as</p>
<disp-formula id="E70"><mml:math id="M154"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>T</italic> is the <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>m</italic> cyclic shift matrix, i.e., only the <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>n</italic> submatrix of <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is used. The columns of <italic>K</italic> can also be expressed through the cyclic shift of <underline><italic>k</italic></underline>. Hence,</p>
<disp-formula id="E71"><mml:math id="M156"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>i.e., <italic>B</italic> is a feasible solution of Equation (31) for <italic>K</italic>. On the other hand, the cross coherence is bounded since</p>
<disp-formula id="E72"><mml:math id="M157"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02299;</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02016;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x02016;<italic>D</italic>&#x02016;<sub>max</sub> &#x0003D; max<sub><italic>i,j</italic></sub>|<italic>d</italic><sub><italic>ij</italic></sub>| is the maximum norm and <italic>diag</italic>(&#x003C3;(<italic>B</italic>)&#x02299;&#x003C3;(<italic>K</italic>)) &#x0003D; <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub> derives from Equation (35). Note: To have this upper bound <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> needs to have full rank, which is the case if the full time continuous FT of <italic>k</italic> has no zero points. Or one has to adjust the discrete grid. Thus, constructing <italic>B</italic> by extending <italic>K</italic> to a circular matrix is a feasible approach.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.5 Connection to CNNs</title>
<p>It is known that using the Fast Fourier Transform (FFT) in CNNs can decrease the computation time if the convolutional filter is big [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. In Pratt et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] showed that training weights in the Fourier domain can reduce training time while maintaining efficiency. By using this, the costs of <inline-formula><mml:math id="M159"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operations could be reduced to <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> operations. To connect the theory of FFT-CNNs and of unrolling ISTA in the context of deconvolution (Equations 33 or 36), the gradient step can be viewed as follows:</p>
<disp-formula id="E73"><mml:math id="M161"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E74"><label>(37)</label><mml:math id="M162"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>This can be interpreted as a convolutional layer with kernel <italic>f</italic>(&#x003B3;) &#x0003D; (<italic>e</italic> &#x02212; &#x003B3;<italic>b</italic> &#x0002A; <italic>k</italic>) and bias <inline-formula><mml:math id="M163"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <italic>e</italic> &#x0003D; [1, 0, &#x02026;, 0]. This means that ALISTA, with a Toeplitz matrix, can be interpreted as a CNN only two trainable parameters per layer, &#x003B3;, &#x003BB;. In the setting of FFT-CNN, the update rule can be formulated as</p>
<disp-formula id="E75"><mml:math id="M164"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x000EA;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x02299;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02299;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>On the other hand, using FFT CNNs shows only a speed up if we deal with large data sets, i.e. by evaluating high-resolution images, or large filters, i.e., if <inline-formula><mml:math id="M165"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is greater than log(<italic>n</italic>).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Numerical examples</title>
<p>In the following, we are going to present numerical results achieved by the presented algorithms.<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> We will investigate two MMV scenarios. First, the measurements <italic>y</italic><sup><italic>l</italic></sup> are obtained with a random Gaussian matrix, and second obtained by a redcued-rank random circular convolution. In each scenario, we will enforce the Kronecker structure and thus reducing the training cost by training only low dimensional <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>n</italic> matrices. Furthermore, in the convolutional setting, the circular structure will be also enforced, thus reducing the training costs even more. To have a fair comparison, all algorithms are initialized with the analytical weight matrix.</p>
<sec>
<title>5.1 MMV setting</title>
<p>The training data are sampled from an unknown distribution <inline-formula><mml:math id="M166"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and generated as follows. The signals <italic>x</italic> are generated for a given number of blocks <italic>n</italic>, given block length <italic>d</italic> and a possibility if a block <italic>x</italic>[<italic>i</italic>] is active or not, i.e., if &#x02016;<italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub> &#x02260; 0 or &#x02016;<italic>x</italic>[<italic>i</italic>]&#x02016;<sub>2</sub> &#x0003D; 0, called <italic>pnz</italic> (probability of non-zeros). If a block is active, the elements of this blocks are given by a normal Gaussian distribution with variance &#x003C3;<sup>2</sup> &#x0003D; 1. The measurements <italic>y</italic> are obtained by Equation (3), where the elements of &#x003F5; are given from a normal Gaussian distribution with variance <inline-formula><mml:math id="M167"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <italic>SNR</italic><sub><italic>dB</italic></sub> is the signal-to-noise ratio given in decibel. We consider the following cases. In each case, we generate <italic>x</italic> with <italic>d</italic> &#x0003D; 15, <italic>n</italic> &#x0003D; 128, <italic>m</italic> &#x0003D; 32, and <italic>pnz</italic> &#x0003D; 10%.</p>
<p><bold>Gaussian measurement matrix:</bold> In the Gaussian setting, we sample a <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>n</italic> matrix <italic>K</italic> iid from a Gaussian distribution with variance &#x003C3;<sup>2</sup> &#x0003D; 1. We normalize the columns, s.t. <italic>D</italic> has orthonormal blocks, as assumed in the beginning.</p>
<p><bold>Circular convolution matrix:</bold> We construct the circular matrix as follows. At first, we generate a random iid sampled vector &#x000E3; but set a certain amount of elements to zero. We define <italic>k</italic> &#x0003D; &#x0211C;(<italic>F</italic><sup>&#x02212;1</sup>&#x000E3;), and thus we can generate a rank deficient Matrix <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>K</italic> &#x02297; <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub>, where <italic>K</italic> &#x0003D; <italic>circ</italic>(<italic>k</italic>). Thus, <italic>y</italic><sup><italic>l</italic></sup> is obtained through a circular convolution with symmetric <inline-formula><mml:math id="M168"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It is important for this section to generate a rank deficient matrix to have compressive observations. Otherwise, we would get a trivial problem if <italic>K</italic>, respectively <italic>D</italic>, has full rank. Computing <italic>D</italic> &#x0003D; <italic>K</italic> &#x02297; <italic>I</italic><sub><italic>d</italic></sub> yields the desired matrix. The properties of these two matrices can be found in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Properties of matrix <italic>K</italic> in both scenarios.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><bold>Case</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Dimensions</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>rank</italic>(<italic>K</italic>)</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003BC;(<italic>K</italic>)</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">Gauss</td>
<td valign="top" align="left"><italic>K</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup>32 &#x000D7; 128</sup></td>
<td valign="top" align="center">32</td>
<td valign="top" align="center">0.6268</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">Circ.</td>
<td valign="top" align="left"><italic>K</italic> &#x02208; &#x0211D;<sup>128 &#x000D7; 128</sup></td>
<td valign="top" align="center">32</td>
<td valign="top" align="center">0.6833</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>5.2 Discussion</title>
<p>The results of the proposed methods can be found in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> for the Gaussian Problem case in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref> for the circular case. We also consider the performance of a version of AMP [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]. AMP can be viewed as an Bayesian extension of ISTA with an additional Onsager correction term, before applying the thresholding operator, i.e.,</p>
<disp-formula id="E76"><mml:math id="M169"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>b</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> &#x0003D; &#x1D53C;[&#x003B7;&#x02032;(<italic>x</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup>)]. Here, we will train only &#x003B3;, &#x003B1;, with the same procedure as already discussed and choose <italic>D</italic><sup><italic>T</italic></sup> &#x0003D; <italic>B</italic><sup><italic>T</italic></sup>. By using <italic>B</italic><sup><italic>T</italic></sup> instead of <italic>D</italic><sup><italic>T</italic></sup> we are resembling Orthogonal AMP (OAMP) [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], which follows a similar idea as ALISTA. In Ma and Ping [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], <italic>B</italic> is chosen to be de-correlated with respect to <italic>K</italic>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E77"><mml:math id="M170"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">tr</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The analytical weight matrix <italic>B</italic> satisfies also this condition. Moreover, in Ma and Ping [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], the choice of different matrices is also discussed. Thus, untrained ALISTA with correction term can be viewed as a special case of OAMP. Note also, that the structure of Trainable ISTA, proposed in Ito et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], is also based on OAMP and thus there are interrelations between AMP, unfolding ISTA, and analytical ISTA. We refer to learned AMP with analytical matrix as ALAMP. Different from Ma and Ping [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], we use the &#x02113;<sub>2,1</sub>-regularizer, instead of only &#x02113;<sub>1</sub>-regularization, since we consider the MMV setting. This is also discussed in [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. Every proposed algorithm performs better, in terms of <italic>NMSE</italic>, as their untrained original. Interestingly learned AMP, with analytical weight matrix <italic>B</italic>, has a performance almost as good as LBISTA (untied) with only a fraction of trainable parameters. This may come from the fact, that block-soft thresholding is not the correct MMSE estimator for the generated signals <italic>x</italic> and thus the correction of <italic>b</italic><sup>(<italic>k</italic>)</sup> yields the better estimation for <italic>x</italic>. As expected, we get almost the same performance of ALBISTA and LBISTA CP (untied). In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, we show similar plots for the justification of Theorem 1, as also seen in Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. In particular, <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref> shows that <inline-formula><mml:math id="M171"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is proportional to the maximal &#x02113;<sub>2,1</sub>-error over all training signals. An interesting behavior, which carries over from the sparse case, is that the learned &#x02113;<sub>2,1</sub>-regularization parameters approach zero, as <italic>k</italic> increases. If &#x003B1; is close to zero, we approach a least-squares problem. This means that after LBISTA found the support of the unknown signal <italic>x</italic><sup>&#x0002A;</sup> the algorithm consist only of the least squares fitting. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> shows that the trained &#x003B3;<sup>(<italic>k</italic>)</sup> are bound in an interval. Note that, in contrast to Liu and Chen [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], Theorem 1 is based on a more general assumption, onto the thresholding parameters. One can take a suitable &#x003BA; and obtains the upper bound for the &#x02113;<sub>2</sub>-error and thus have convergence on the training set if the sparsity assumptions are met. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows the training loss over the training iterations for the results presented in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. One can see that ALBISTA needs less training iterations as LBISTA CP (untied) or LBISTA (untied) and thus less training data. The observed jumps occur when moving from one layer to the next due to the layer-wise training, Algorithm 1. A layer is defined to be optimized if NMSE converged within 1<italic>e</italic> &#x02212; 5.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>NMSE in dB over layers/iterations, pnz = 10%, without noise. BISTA, and FastBISTA are evaluated with &#x003B1; &#x0003D; 1 and &#x003B3; &#x0003D; 1/(1.01&#x02016;<italic>D</italic>&#x02016;<sup>2</sup>). <bold>(A)</bold> Gaussian measurement problem. <bold>(B)</bold> Circular convolution problem.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1205959-g0001.tif"/>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Plots justifying results in Theorem 1. <bold>(A)</bold> Parameters and maximal &#x02113;<sub>2,1</sub>-error in the noiseless case on the problem with circular convolution matrix. <bold>(B)</bold> Trained &#x003B3; over layers/iterations on the problem with Gaussian measurement matrix.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1205959-g0002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Training history for results shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> respectively <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>. One can see that ALBISTA needs less training iterations than LBISTA CP (untied) or LBISTA (untied). <bold>(A)</bold> Gaussian measurement problem. <bold>(B)</bold> Circular convolution problem.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1205959-g0003.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>We proposed ALISTA for the block-sparse and MMV case, important for many real-world applications, and derived corresponding theoretical convergence and recovery results. We relaxed the conditions for the regularization parameter and thus obtained a more precise upper-bound after ALISTA is trained. Nevertheless, this is still dependent on a sharp sparsity assumption on the unknown signals. We investigated and derived a direct solution for the analytical weight matrix in the general block sparse setting as well for one convolutional scenarios. The last section provides numerical results and includes interrelations to AMP.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s7">
<title>Data availability statement</title>
<p>Publicly available datasets were analyzed in this study. This data can be found here: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/janhauffen/Block-ALISTA">https://github.com/janhauffen/Block-ALISTA</ext-link>.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>JH, NM, and PJ contributed to the concept of the work. JH wrote the first draft of the article. NM and PJ supervised the work. All authors contributed to manuscript revision, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>We acknowledge support by the German Research Foundation and the Open Access Publication Fund of TU Berlin.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s10">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1205959/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1205959/full#supplementary-material</ext-link></p>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>Code: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/janhauffen/Block-ALISTA">https://github.com/janhauffen/Block-ALISTA</ext-link>.</p></fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cand&#x000E8;s</surname> <given-names>EJ</given-names></name> <name><surname>Romberg</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Tao</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Robust uncertainty principles: exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information</article-title>. <source>IEEE Trans Inf Theory.</source> (<year>2006</year>) <volume>52</volume>:<fpage>489</fpage>&#x02013;<lpage>509</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIT.2005.862083</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Donoho</surname> <given-names>DL</given-names></name></person-group>. <article-title>Compressed sensing</article-title>. <source>IEEE Trans Inf Theory</source>. (<year>2006</year>) <volume>52</volume>:<fpage>1289</fpage>&#x02013;<lpage>306</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIT.2006.871582</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shannon</surname> <given-names>CE</given-names></name></person-group>. <article-title>Communication in the presence of noise</article-title>. <source>Proc IRE</source>. (<year>1949</year>) <volume>37</volume>:<fpage>10</fpage>&#x02013;<lpage>21</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JRPROC.1949.232969</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Candes</surname> <given-names>EJ</given-names></name> <name><surname>Tao</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Decoding by linear programming</article-title>. <source>IEEE Trans Inf Theory</source>. (<year>2005</year>) <volume>51</volume>:<fpage>4203</fpage>&#x02013;<lpage>15</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIT.2005.858979</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rudelson</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Vershynin</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Geometric approach to error-correcting codes and reconstruction of signals</article-title>. <source>Int Mathem Res Notices</source>. (<year>2005</year>) <volume>2005</volume>:<fpage>4019</fpage>&#x02013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/IMRN.2005.4019</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Figueiredo</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Nowak</surname> <given-names>RD</given-names></name> <name><surname>Wright</surname> <given-names>SJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Gradient projection for sparse reconstruction: application to compressed sensing and other inverse problems</article-title>. <source>IEEE J Sel Top Signal Process</source>. (<year>2007</year>) <volume>1</volume>:<fpage>586</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JSTSP.2007.910281</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fornasier</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rauhut</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Iterative thresholding algorithms</article-title>. <source>Appl Comput Harmon Anal</source>. (<year>2008</year>) <volume>25</volume>:<fpage>187</fpage>&#x02013;<lpage>208</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.acha.2007.10.005</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gregor</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>LeCun</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Learning fast approximations of sparse coding</article-title>. In: <source>Proceedings of the 27th International Conference on International Conference on Machine Learning</source> (<year>2010</year>). p. <fpage>399</fpage>&#x02013;<lpage>406</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Yin</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Theoretical linear convergence of unfolded ISTA and its practical weights and thresholds</article-title>. In: <source>Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2018)</source> (<year>2018</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Liu</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>X</given-names></name></person-group>. <article-title>ALISTA: Analytic weights are as good as learned weights in LISTA</article-title>. In: <source>International Conference on Learning Representations (ICLR)</source> (<year>2019</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Yin</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Hyperparameter tuning is all you need for LISTA</article-title>. In: <source>Advances in Neural Information Processing Systems</source> (<year>2021</year>). p. <fpage>34</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gorodnitsky</surname> <given-names>IF</given-names></name> <name><surname>George</surname> <given-names>JS</given-names></name> <name><surname>Rao</surname> <given-names>BD</given-names></name></person-group>. <article-title>Neuromagnetic source imaging with FOCUSS: a recursive weighted minimum norm algorithm</article-title>. <source>Electroencephalogr Clin Neurophysiol</source>. (<year>1995</year>) <volume>95</volume>:<fpage>231</fpage>&#x02013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0013-4694(95)00107-A</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">8529554</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fengler</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Musa</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Caire</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Pilot-based unsourced random access with a massive MIMO receiver, interference cancellation, and power control</article-title>. <source>IEEE J Select Areas Commun</source>. (<year>2022</year>) <volume>40</volume>:<fpage>1522</fpage>&#x02013;<lpage>34</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JSAC.2022.3144748</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ahmadi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Burgholzer</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Mayr</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Caire</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Ziegler</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Photothermal super resolution imaging: a comparison of different thermographic reconstruction techniques</article-title>. <source>NDT E Int</source>. (<year>2020</year>) <volume>111</volume>:<fpage>102228</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ndteint.2020.102228</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziniel</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Schniter</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Efficient high-dimensional inference in the multiple measurement vector problem</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Proc</source>. (<year>2012</year>) <volume>61</volume>:<fpage>340</fpage>&#x02013;<lpage>54</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2012.2222382</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Huo</surname> <given-names>X</given-names></name></person-group>. <article-title>Theoretical results on sparse representations of multiple-measurement vectors</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Proc</source>. (<year>2006</year>) <volume>54</volume>:<fpage>4634</fpage>&#x02013;<lpage>43</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2006.881263</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="thesis"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schacke</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>On the kronecker product</article-title>. Master&#x00027;s thesis, <publisher-name>University of Waterloo</publisher-name>. (<year>2004</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yonina</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Eldar</surname> <given-names>HB</given-names></name></person-group>. <article-title>Block-sparsity: coherence and efficient recovery</article-title>. <source>arXiv preprint arXiv:08120329</source>. (<year>2008</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.0812.0329</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Donoho</surname> <given-names>DL</given-names></name> <name><surname>Elad</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Temlyakov</surname> <given-names>VN</given-names></name></person-group>. <article-title>Stable recovery of sparse overcomplete representations in the presence of noise</article-title>. <source>IEEE Trans Inf Theory</source>. (<year>2005</year>) <volume>52</volume>:<fpage>6</fpage>&#x02013;<lpage>18</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIT.2005.860430</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>SS</given-names></name> <name><surname>Donoho</surname> <given-names>DL</given-names></name> <name><surname>Saunders</surname> <given-names>MA</given-names></name></person-group>. <article-title>Atomic decomposition by basis pursuit</article-title>. <source>SIAM Rev</source>. (<year>2001</year>) <volume>43</volume>:<fpage>129</fpage>&#x02013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/S003614450037906X</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kutyniok</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Compressed sensing</article-title>. <source>Mitteilungen der Deutschen Mathematiker-Vereinigung</source>. (<year>2014</year>) <volume>1</volume>:<fpage>24</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/dmvm-2014-0014</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Foucart</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Rauhut</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>A mathematical introduction to compressive sensing</article-title>. <source>Bull Am Math</source>. (<year>2017</year>) <volume>54</volume>:<fpage>151</fpage>&#x02013;<lpage>65</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/bull/1546</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Byrne</surname> <given-names>CL</given-names></name></person-group>. <source>Applied Iterative Methods</source>. <publisher-loc>Wellesley, MA</publisher-loc>: <publisher-name>AK Peters</publisher-name>. (<year>2008</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1201/9780429295492</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bauschke</surname> <given-names>HH</given-names></name> <name><surname>Combettes</surname> <given-names>PL</given-names></name> <name><surname>Bauschke</surname> <given-names>HH</given-names></name> <name><surname>Combettes</surname> <given-names>PL</given-names></name></person-group>. <source>Convex Analysis and Monotone Operator Theory in Hilbert Spaces</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>. (<year>2011</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4419-9467-7</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Beck</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>A fast iterative shrinkage-thresholding algorithm for linear inverse problem</article-title>. <source>Soc Ind Appl Mathem</source>. (<year>2009</year>) <volume>2</volume>:<fpage>183</fpage>&#x02013;<lpage>202</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/080716542</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Combettes</surname> <given-names>PL</given-names></name> <name><surname>Pesquet</surname> <given-names>JC</given-names></name></person-group>. <article-title>Proximal splitting methods in signal processing</article-title>. In: <source>Fixed-Point Algorithms for Inverse Problems in Science and Engineering</source>. <publisher-loc>Springer</publisher-loc> (<year>2011</year>). p. <fpage>185</fpage>&#x02013;<lpage>212</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4419-9569-8_10</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kim</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Park</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Element-wise adaptive thresholds for learned iterative shrinkage thresholding algorithms</article-title>. <source>IEEE Access</source>. (<year>2020</year>) <volume>8</volume>:<fpage>45874</fpage>&#x02013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2020.2978237</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fu</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Monardo</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Deep unfolding network for block-sparse signal recovery</article-title>. In: <source>ICASSP 2021&#x02013;2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP)</source>. <publisher-loc>IEEE</publisher-loc> (<year>2021</year>). p. <fpage>2880</fpage>&#x02013;<lpage>2884</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICASSP39728.2021.9414163</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Musa</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Caire</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Plug-and-play learned gaussian-mixture approximate message passing</article-title>. In: <source>ICASSP 2021&#x02013;2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP).</source> <publisher-loc>IEEE</publisher-loc> (<year>2021</year>). p. <fpage>4855</fpage>&#x02013;<lpage>4859</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICASSP39728.2021.9414910</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kingma</surname> <given-names>DP</given-names></name> <name><surname>Ba</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Adam: a method for stochastic optimization</article-title>. <source>arXiv preprint arXiv:1412</source>.6980 (<year>2015</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1412.6980</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pratt</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Williams</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Coenen</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Zheng</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>FCNN: Fourier convolutional neural networks</article-title>. In: <source>Joint European Conference on Machine Learning and Knowledge Discovery in Databases.</source> <publisher-loc>Springer</publisher-loc> (<year>2017</year>). p. <fpage>786</fpage>&#x02013;<lpage>798</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-71249-9_47</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chitsaz</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Hajabdollahi</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Karimi</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Samavi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Shirani</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Acceleration of convolutional neural network using FFT-based split convolutions</article-title>. <source>arXiv preprint arXiv:200312621</source>. (<year>2020</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.2003.12621</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Donoho</surname> <given-names>DL</given-names></name> <name><surname>Maleki</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Montanari</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Message-passing algorithms for compressed sensing</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source>. (<year>2009</year>) <volume>106</volume>:<fpage>18914</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0909892106</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19858495</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ma</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Ping</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>Orthogonal amp</article-title>. <source>IEEE Access</source>. (<year>2017</year>) <volume>5</volume>:<fpage>2020</fpage>&#x02013;<lpage>33</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2017.2653119</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ito</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Takabe</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Wadayama</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Trainable ISTA for sparse signal recovery</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Proc</source>. (<year>2019</year>) <volume>67</volume>:<fpage>3113</fpage>&#x02013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2019.2912879</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kim</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Chang</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Jung</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Baron</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Ye</surname> <given-names>JC</given-names></name></person-group>. <article-title>Belief propagation for joint sparse recovery</article-title>. <source>arXiv preprint arXiv:1102.3289.</source> (<year>2011</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1102.3289</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chen</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Sohrabi</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Yu</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Sparse activity detection for massive connectivity</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Proc</source>. (<year>2018</year>) <volume>66</volume>:<fpage>1890</fpage>&#x02013;<lpage>904</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2018.2795540</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>