<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<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="publisher-id">702486</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2021.702486</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>A Block-Sparse Tensor Train Format for Sample-Efficient High-Dimensional Polynomial Regression</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">G&#xf6;tte et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">A Block-Sparse Tensor Train Format</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>G&#xf6;tte</surname>
<given-names>Michael</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1322481/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>Reinhold</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Trunschke</surname>
<given-names>Philipp</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1322127/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>Department of Mathematics, Technische Universit&#x00E4;t Berlin, <addr-line>Berlin</addr-line>, <country>Germany</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/73420/overview">Edoardo Angelo Di Napoli</ext-link>, Helmholtz-Verband Deutscher Forschungszentren (HZ), Germany</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1328818/overview">Mazen Ali</ext-link>, &#x00C9;cole centrale de Nantes, France</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1135068/overview">Katharina Kormann</ext-link>, Uppsala University, Sweden</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/167696/overview">Antonio Falco</ext-link>, Universidad CEU Cardenal Herrera, Spain</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Philipp Trunschke, <email>ptrunschke@mail.tu-berlin.de</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Mathematics of Computation and&#x20;Data&#x20;Science, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>07</day>
<month>09</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>7</volume>
<elocation-id>702486</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>29</day>
<month>04</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>21</day>
<month>07</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 G&#xf6;tte, Schneider and Trunschke.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>G&#xf6;tte, Schneider and Trunschke</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&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Low-rank tensors are an established framework for the parametrization of multivariate polynomials. We propose to extend this framework by including the concept of block-sparsity to efficiently parametrize homogeneous, multivariate polynomials with low-rank tensors. This provides a representation of general multivariate polynomials as a sum of homogeneous, multivariate polynomials, represented by block-sparse, low-rank tensors. We show that this sum can be concisely represented by a single block-sparse, low-rank tensor.</p>
<p>We further prove cases, where low-rank tensors are particularly well suited by showing that for banded symmetric tensors of homogeneous polynomials the block sizes in the block-sparse multivariate polynomial space can be bounded independent of the number of variables.</p>
<p>We showcase this format by applying it to high-dimensional least squares regression problems where it demonstrates improved computational resource utilization and sample efficiency.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>sample efficiency</kwd>
<kwd>homogeneous polynomials</kwd>
<kwd>sparse tensor networks</kwd>
<kwd>alternating least square</kwd>
<kwd>empirical L2 approximation</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>An important problem in many applications is the identification of a function from measurements or random samples. For this problem to be well-posed, some prior information about the function has to be assumed and a common requirement is that the function can be approximated in a finite dimensional ansatz space. For the purpose of extracting governing equations the most famous approach in recent years has been SINDy [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. However, the applicability of SINDy to high-dimensional problems is limited since truly high-dimensional problems require a nonlinear parameterization of the ansatz space. One particular reparametrization that has proven itself in many applications are tensor networks. These allow for a straight-forward extension of SINDy [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] but can also encode additional structure as presented in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. The compressive capabilities of tensor networks originate from this ability to exploit additional structure like smoothness, locality or self-similarity and have hence been used in solving high-dimensional equations [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. In the context of optimal control tensor train networks have been utilized for solving the Hamilton&#x2013;Jacobi&#x2013;Bellman equation in [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], for solving backward stochastic differential equations in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] and for the calculation of stock options prices in [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. In the context of uncertainty quantification they are used in [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] and in the context of image classification they are used in [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<p>A common thread in these publications is the parametrization of a high-dimensional ansatz space by a tensor train network which is then optimized. In most cases this means that the least-squares error of the parametrized function to the data is minimized. There exist many methods to perform this minimization. A well-known algorithm in the mathematics community is the <italic>alternating least-squares (ALS</italic>
<italic>)</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], which is related to the famous DMRG method [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] for solving the Schr&#xf6;dinger equation in quantum physics. Although, not directly suitable for recovery tasks, it became apparent that DMRG and ALS can be adapted to work in this context. Two of these extensions to the ALS algorithm are the <italic>stablilized ALS approximation (SALSA)</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] and the <italic>block alternating steepest descent for Recovery (bASD)</italic> algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. Both adapt the tensor network ranks and are better suited to the problem of data identification. Since the set of tensor trains of fixed rank forms a manifold [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] it is also possible to perform gradient based optimization schemes [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]. This however is not a path that we pursue in this work. Our contribution extends the ALS (and SALSA) algorithm and we believe that it can be applied to many of the fields stated&#x20;above.</p>
<p>In this work we consider ansatz spaces of homogeneous polynomials of fixed degree and their extension to polynomials of bounded degree. We introduce the concept of block-sparsity as an efficient way to parametrize homogeneous polynomials with low rank tensors. Although, this is not the first instance in which sparsity is used in the context of low-rank tensors (see [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>]), we believe, that this is the first time where block-sparsity is used to parametrize homogeneous polynomials. The sparsity used in the previous works is substantially different to the block-sparsity discussed in this work. Block-sparsity is preserved under most tensor network operations such as summation, orthogonalization and rounding and the parametrization of tangent spaces which is not the case for standard sparsity. This is important since orthogonalization is an essential part of numerically stable and efficient optimization schemes and means that most of the existing tensor methods, like HSVD (see [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>]), ALS, SALSA or Riemannian optimization can be performed in this format. We also show that, if the symmetric tensor of a homogeneous polynomial is banded, it can be represented very efficiently in the tensor train format, since the sizes of the non-zero blocks can be bounded independently of the number of variables. In physics this property can be associated with the property of locality, which can be used to identify cases where tensor trains work exceptionally&#x20;well.</p>
<p>Quantum physicists have used the concept of block-sparsity for at least a decade [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>] but it was introduced to the mathematics community only recently in [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. In the language of quantum mechanics one would say that there exists an operator for which the coefficient tensor of any homogeneous polynomial is an eigenvector. This encodes a symmetry, where the eigenvalue of this eigenvector is the degree of the homogeneous polynomial, which acts as a quantum number and corresponds to the particle number of bosons and fermions.</p>
<p>The presented approach is very versatile and can be combined with many polynomial approximation strategies like the use of Taylor&#x2019;s theorem in [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] and there exist many approximation theoretic results that ensure a good approximation with a low degree polynomial for many classes of functions (see e.g. [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]).</p>
<p>In addition to the approximation theoretic results, we can motivate these polynomial spaces by thinking about the sample complexity for successful recovery in the case of regression problems. In [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] it was shown that for tensor networks the sample complexity, meaning the number of data points needed, is related to the dimension of the high-dimensional ansatz space. But, these huge sample sizes are not needed in most practical examples [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. This suggests that the regularity of the sought function must have a strong influence on the number of samples that are required. However, for most practical applications, suitable regularity guarantees cannot be made &#x2014;&#x20;neither for the best approximation nor for the initial guess, nor any iterate of the optimization process. By restricting ourselves to spaces of homogeneous polynomials, the gap between observed sample complexity and proven worst-case bound is reduced.</p>
<p>In the regression setting, this means that we kill two birds with one stone. By applying block-sparsity to the coefficient tensor we can restrict the ansatz space to well-behaved functions which can be identified with a reasonable sample size. At the same time we reduce the number of parameters and speed up the least-squares minimization task. Finally, note that this parametrization allows practitioners to devise algorithms that are adaptive in the degree of the polynomial, thereby increasing the computational resource utilization even further. This solves a real problem in practical applications where the additional and unnecessary degrees of freedom of conventional low-rank tensor formats cause many optimization algorithms to get stuck in local minima.</p>
<p>The remainder of this work is structured as follows. <italic>Notation</italic> introduces basic tensor notation, the different parametrizations of polynomials that are used in this work and then formulates the associated least-squares problems. In <italic>Theoretical Foundation</italic> we state the known results on sampling complexity and block sparsity. Furthermore, we set the two results in relation and argue why this leads to more favorable ansatz spaces. This includes a proof of rank-bounds for a class of homogeneous polynomials which can be represented particularly efficient as tensor trains. <italic>Method Description</italic> derives two parametrizations from the results of <italic>Theoretical Foundation</italic> and presents the algorithms that are used to solve the associated least-squares problems. Finally, <italic>Numerical Results</italic> gives some numerical results for different classes of problems focusing on the comparison of the sample complexity for the full- and sub-spaces. Most notably, the recovery of a quantity of interest for a parametric PDE, where our approach achieves successful recovery with relatively few parameters and samples. We observed that for suitable problems the number of parameters can be reduced by a factor of almost&#x20;10.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Notation</title>
<p>In our opinion, using a graphical notation for the involved contractions in a tensor network drastically simplifies the expressions making the whole setup more approachable. This section introduces this graphical notation for tensor networks, the spaces that will be used in the remainder of this work and the regression framework.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Tensors and Indices</title>
<p>
<bold>Definition 2.1.</bold> Let <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Then <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is called a <italic>dimension tuple of order</italic> <italic>d</italic> and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is called a <italic>tensor of order</italic> <italic>d</italic> <italic>and dimension</italic> <bold>
<italic>n</italic>
</bold>. Let <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> then a tuple <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is called a <italic>multi-index</italic> and the corresponding entry of <italic>x</italic> is denoted by <italic>x</italic> (<italic>l</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>l</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>). The positions 1, &#x2026;, <italic>d</italic> of the indices <italic>l</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>l</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> in the expression <italic>x</italic> (<italic>l</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>l</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>) are called <italic>modes of</italic>&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>To define further operations on tensors it is often useful to associate each mode with a symbolic&#x20;index.</p>
<p>
<bold>Definition 2.2.</bold> A <italic>symbolic index</italic> <italic>i</italic> of dimension <italic>n</italic> is a placeholder for an arbitrary but fixed natural number between 1 and <italic>n</italic>. For a dimension tuple <bold>
<italic>n</italic>
</bold> of order <italic>d</italic> and a tensor <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> we may write <italic>x</italic> (<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>i</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>) and tacitly assume that <italic>i</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> are indices of dimension <italic>n</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> for each <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic>. When standing for itself this notation means <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<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:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and may be used to <italic>slice</italic> the tensor<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m8">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> are fixed indices for all <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 2, &#x2026;, <italic>d</italic>. For any dimension tuple <bold>
<italic>n</italic>
</bold> of order <italic>d</italic> we define the symbolic multi-index <italic>i</italic>
<sup>
<bold>
<italic>n</italic>
</bold>
</sup> &#x3d; (<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>i</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>) of dimension <bold>
<italic>n</italic>
</bold> where <italic>i</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> is a symbolic index of dimension <italic>n</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> for all <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;,&#x20;<italic>d</italic>.</p>
<p>
<bold>Remark 2.3.</bold> We use the letters <italic>i</italic> and <italic>j</italic> (with appropriate subscripts) for symbolic indices while reserving the letters <italic>k</italic>, <italic>l</italic> and <italic>m</italic> for ordinary indices.</p>
<p>
<bold>Example 2.4.</bold> Let <italic>x</italic> be an order 2 tensor with mode dimensions <italic>n</italic>
<sub>1</sub> and <italic>n</italic>
<sub>2</sub>, i.e. an <italic>n</italic>
<sub>1</sub>-by-<italic>n</italic>
<sub>2</sub> matrix. Then <italic>x</italic> (<italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub>, <italic>j</italic>) denotes the <italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub>-th row of <italic>x</italic> and <italic>x</italic> (<italic>i</italic>, <italic>&#x2113;</italic>
<sub>2</sub>) denotes the <italic>&#x2113;</italic>
<sub>2</sub>-th column of&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>Inspired by Einstein notation we use the concept of symbolic indices to define different operations on tensors.</p>
<p>
<bold>Definition 2.5.</bold> Let <italic>i</italic>
<sub>1</sub> and <italic>i</italic>
<sub>2</sub> be (symbolic) indices of dimension <italic>n</italic>
<sub>1</sub> and <italic>n</italic>
<sub>2</sub>, respectively and let <italic>&#x3c6;</italic> be a bijection<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m10">
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We then define <italic>the product of indices</italic> with respect to &#x3c6; as <italic>j</italic>&#x20;&#x3d;&#x20;&#x3c6;(<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, <italic>i</italic>
<sub>2</sub>) where <italic>j</italic> is a (symbolic) index of dimension <italic>n</italic>
<sub>1</sub>
<italic>n</italic>
<sub>2</sub>. In most cases the choice of bijection is not important and we will write <italic>i</italic>
<sub>1</sub> &#x22c5; <italic>i</italic>
<sub>2</sub>&#x2254;&#x3c6;(<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, <italic>i</italic>
<sub>2</sub>) for an arbitrary but fixed bijection &#x3c6;. For a tensor <italic>x</italic> of dimension (<italic>n</italic>
<sub>1</sub>, <italic>n</italic>
<sub>2</sub>) the expression<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m11">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>defines the tensor <italic>y</italic> of dimension (<italic>n</italic>
<sub>1</sub>
<italic>n</italic>
<sub>2</sub>) while the expression<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m12">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>defines <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m13">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m14">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<bold>Definition 2.6.</bold> Consider the tensors <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m15">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m16">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. Then the expression<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m17">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>defines the tensor <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m18">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> in the obvious way. Similary, for <italic>a</italic>&#x20;&#x3d; <italic>b</italic> the expression<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m19">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>defines the tensor <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m20">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. Finally, also for <italic>a</italic>&#x20;&#x3d; <italic>b</italic> the expression<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m21">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>defines the tensor <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m22">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m23">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>We choose this description mainly because of its simplicity and how it relates to the implementation of these operations in the numeric libraries numpy [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>] and xerus&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Graphical Notation and Tensor Networks</title>
<p>This section will introduce the concept of <italic>tensor networks</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>] and a graphical notation for certain operations which will simplify working with these structures. To this end we reformulate the operations introduced in the last section in terms of nodes, edges and half-edges.</p>
<p>
<bold>Definition 2.7.</bold> For a dimension tuple <bold>
<italic>n</italic>
</bold> of order <italic>d</italic> and a tensor <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m24">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> the <italic>graphical representation</italic> of <italic>x</italic> is given by.<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g004.tif"/>where the node represents the tensor and the half-edges represent the <italic>d</italic> different modes of the tensor illustrated by the symbolic indices <italic>i</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;,&#x20;<italic>i</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>.</p>
<p>With this definition we can write the reshapings of Defintion 2.5 simply&#x20;as</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g005.tif"/>
</p>
<p>and also simplify the binary operations of Definition&#x20;2.6.</p>
<p>
<bold>Definition 2.8.</bold> Let <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m25">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> be two tensors. Then Operation <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> is represented&#x20;by</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g006.tif"/>
</p>
<p>and defines <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m27">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. For <italic>a</italic>&#x20;&#x3d; <italic>b</italic> Operation <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref> is represented&#x20;by</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g007.tif"/>
</p>
<p>and defines <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m28">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and Operation <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> defines <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m29">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;by.</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g008.tif"/>
</p>
<p>With these definitions we can compose entire networks of multiple tensors which are called tensor networks.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 The Tensor Train Format</title>
<p>A prominent example of a tensor network is the <italic>tensor train (TT)</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], which is the main tensor network used throughout this work. This network is discussed in the following subsection.</p>
<p>
<bold>Definition 2.9.</bold> Let <bold>
<italic>n</italic>
</bold> be an dimensional tuple of order-<italic>d</italic>. The&#x20;TT format decomposes an order <italic>d</italic> tensor <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m30">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> into <italic>d</italic> <italic>component tensors</italic> <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m31">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic> with <italic>r</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; <italic>r</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x3d; 1. This can be written in tensor network formula notation as<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m32">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<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:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22ef;</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:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<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:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The tuple (<italic>r</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>r</italic>
<sub>
<italic>d</italic>&#x2212;1</sub>) is called the <italic>representation rank</italic> of this representation.</p>
<p>In graphical notation it looks like&#x20;this.</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g009.tif"/>
</p>
<p>
<bold>Remark 2.10.</bold> Note that this representation is not unique. For any pair of matrices (<italic>A</italic>, <italic>B</italic>) that satisfies <italic>AB</italic> &#x3d; <italic>Id</italic> we can replace <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> by <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> (<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, <italic>i</italic>
<sub>2</sub>, <italic>j</italic>) &#x22c5; <italic>A</italic> (<italic>j</italic>, <italic>i</italic>
<sub>3</sub>) and <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;1</sub> by <italic>B</italic> (<italic>i</italic>
<sub>1</sub>, <italic>j</italic>) &#x22c5; <italic>x</italic> (<italic>j</italic>, <italic>i</italic>
<sub>2</sub>, <italic>i</italic>
<sub>3</sub>) without changing the tensor&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>The representation rank of <italic>x</italic> is therefore dependent on the specific representation of <italic>x</italic> as a TT, hence the name. Analogous to the concept of matrix rank we can define a minimal necessary rank that is required to represent a tensor <italic>x</italic> in the TT format.</p>
<p>
<bold>Definition 2.11.</bold> The <italic>tensor train rank</italic> of a tensor <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m33">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> with tensor train components <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m34">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m35">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 2, &#x2026;, <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; 1 and <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the set<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m37">
<mml:mtext>TT</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>rank</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>of minimal <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>&#x2019;s such that the <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> compose&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>In [[<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>], Theorem 1a] it is shown that the TT-rank can be computed by simple matrix operations. Namely, <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> can be computed by joining the first <italic>k</italic> indices and the remaining <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; <italic>k</italic> indices and computing the rank of the resulting matrix. At last, we&#x20;need to introduce the concept of left and right orthogonality for the tensor train format.</p>
<p>
<bold>Definition 2.12.</bold> Let <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m38">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> be a tensor of order <italic>d</italic>&#x20;&#x2b; 1. We call <italic>x</italic> <italic>left orthogonal</italic> if<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m39">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">Id</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, we call a tensor <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m40">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of order <italic>d</italic>&#x20;&#x2b; 1 <italic>right orthogonal</italic> if<disp-formula id="equ9">
<mml:math id="m41">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">Id</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>A tensor train is <italic>left orthogonal</italic> if all component tensors <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>&#x2212;1</sub> are left orthogonal. It is <italic>right orthogonal</italic> if all component tensors <italic>x</italic>
<sub>2</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> are right orthogonal.</p>
<p>
<bold>Lemma 2.1</bold> [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]<bold>.</bold> <italic>For every tensor</italic> <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m42">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>of order</italic> <italic>d</italic> <italic>we can find left and right orthogonal decompositions.</italic>
</p>
<p>For technical purposes it is also useful to define the so-called <italic>interface tensors</italic>, which are based on left and right orthogonal decompositions.</p>
<p>
<bold>Definition 2.13.</bold> Let <italic>x</italic> be a tensor train of order <italic>d</italic> with rank tuple&#x20;<bold>
<italic>r</italic>
</bold>.</p>
<p>For every <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic> and <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, the <italic>&#x2113;</italic>-th <italic>left interface vector</italic> is given by<disp-formula id="equ10">
<mml:math id="m43">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>where <italic>x</italic> is assumed to be left orthogonal. The <italic>&#x2113;</italic>-th <italic>right interface vector</italic> is given by<disp-formula id="equ11">
<mml:math id="m44">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<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:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2026;</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:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<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:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>where <italic>x</italic> is assumed to be right orthogonal.</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 Sets of Polynomials</title>
<p>In this section we specify the setup for our method and define the majority of the different sets of polynomials that are used. We start by defining dictionaries of one dimensional functions which we then use to construct the different sets of high-dimensional functions.</p>
<p>
<bold>Definition 2.14.</bold> Let <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m45">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> be given. A function dictionary of size <italic>p</italic> is a vector valued function <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m46">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<bold>Example 2.15.</bold> Two simple examples of a function dictionary that we use in this work are given by the monomial basis of dimension <italic>p</italic>, i.e.<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m47">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>monomial</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>and by the basis of the first <italic>p</italic> Legendre polynomials, i.e.<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m48">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Legendre</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using function dictionaries we can define the following high-dimensional space of multivariate functions. Let &#x3a8; be a function dictionary of size <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m49">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The <italic>d</italic>-th order product space that corresponds to the function dictionary &#x3a8; is the linear span<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m50">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This means that every function <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m51">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> can be written as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m52">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<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>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</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:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<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:mfenced>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>with a coefficient tensor <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m53">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> where <bold>
<italic>p</italic>
</bold> &#x3d; (<italic>p</italic>, &#x2026;, <italic>p</italic>) is a dimension tuple of order <italic>d</italic>. Note that equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> uses the index notation from Definition 2.6 with arbitrary but fixed <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>&#x2019;s. Since <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m54">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is an intractably large space, it makes sense for numerical purposes to consider the subset<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mtext>TT</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>rank</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where the TT rank of the coefficient is bounded. Every <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m56">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can thus be represented graphically as<disp-formula id="e9">
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g010.tif"/>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where the <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>&#x2019;s are the components of the tensor train&#x20;representation of the coefficient tensor <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m58">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m59">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<bold>Remark 2.16.</bold> In this way every tensor <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m60">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> (in the tensor train format) corresponds one to one to a function <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m61">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>An important subspace of <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m62">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the space of homogeneous polynomials. For the purpose of this paper we define the subspace of homogeneous polynomials of degree <italic>g</italic> as the space<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m63">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where again &#x27e8;&#x2022;&#x27e9; is the linear span. From this definition it is easy to see that a homogeneous polynomial of degree <italic>g</italic> can be represented as an element of <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m64">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> where the coefficient tensor <italic>c</italic> satisfies<disp-formula id="equ12">
<mml:math id="m65">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In <italic>Theoretical Foundation</italic> we will introduce an efficient representation of such coefficient tensors <italic>c</italic> in a block sparse tensor format.</p>
<p>Using <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m66">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> we can also define the space of polynomials of degree at most <italic>g</italic> by<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m67">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2295;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on this characterization we will define a block-sparse tensor train version of this space in <italic>Theoretical Foundation.</italic>
</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>2.5 Parametrizing Homogeneous Polynomials by Symmetric Tensors</title>
<p>In algebraic geometry the space <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m68">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is considered classically only for the dictionary &#x3a8;<sub>monomial</sub> of monomials and is typically parameterized by a symmetric tensor<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m69">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x00B7;&#x00B7;&#x00B7;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x00B7;&#x00B7;&#x00B7;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <bold>
<italic>d</italic>
</bold> &#x3d; (<italic>d</italic>, &#x2026;, <italic>d</italic>) is a dimension tuple of order <italic>g</italic> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m70">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> satisfies <italic>B</italic> (<italic>m</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub>) &#x3d; <italic>B</italic> (&#x3c3;(<italic>m</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub>)) for every permutation <italic>&#x3c3;</italic> in the symmetric group <italic>S</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub>. We conclude this section by showing how the representation <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> can be calculated from the symmetric tensor representation <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, and vice versa. By equating coefficients we find that for every <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> either <italic>m</italic>
<sub>1</sub> &#x2b; &#x22ef; &#x2b; <italic>m</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x2260; <italic>d</italic>&#x20;&#x2b; <italic>g</italic> and <italic>c</italic> (<italic>m</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>m</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>) &#x3d; 0 or<disp-formula id="equ13">
<mml:math id="m72">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>where</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xfe38;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;times</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xfe38;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;times</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Since <italic>B</italic> is symmetric the sum simplifies to<disp-formula id="equ14">
<mml:math id="m73">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>From this follows that for <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
<disp-formula id="equ15">
<mml:math id="m75">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>where</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>for&#x2009;all</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:math>
</disp-formula>and &#x3b4;<sub>k,&#x2113;</sub> denotes the <italic>Kronecker delta</italic>. This demonstrates how our approach can alleviate the difficulties that arise when symmetric tensors are represented in the hierarchical tucker format [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>] in a very simple fashion.</p>
</sec>
<sec id="s2-6">
<title>2.6 Least Squares</title>
<p>Let in the following <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m76">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> be the product space of a function dictionary &#x3a8; such that <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m77">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Consider a high-dimensional function <italic>f</italic>&#x20;&#x2208; <italic>L</italic>
<sub>2</sub>(&#x3a9;) on some domain <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m78">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and assume that the point-wise evaluation <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) is well-defined for <italic>x</italic>&#x20;&#x2208;&#x20;&#x3a9;. In practice it is often possible to choose &#x3a9; as a product domain &#x3a9; &#x3d; &#x3a9;<sub>1</sub> &#xd7; &#x3a9;<sub>2</sub> &#xd7;&#x22ef; &#x3a9;<sub>
<italic>d</italic>
</sub> by extending <italic>f</italic> accordingly. To find the best approximation <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub> of <italic>f</italic> in the space <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m79">
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> we then need to solve the problem<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m80">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>A practical problem that often arises when computing <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub> is that computing the <italic>L</italic>
<sub>2</sub>(&#x3a9;)-norm is intractable for large <italic>d</italic>. Instead of using classical quadrature rules one often resorts to a Monte Carlo estimation of the high-dimensional integral. This means one draws <italic>M</italic> random samples <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m81">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> from &#x3a9; and estimates<disp-formula id="equ16">
<mml:math id="m82">
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>where &#x2016;&#x22c5;&#x2016;<sub>
<italic>F</italic>
</sub> is the Frobenius norm. With this approximation we can define an empirical version of <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub> as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m83">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For a linear space <italic>W</italic>, computing <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>,<italic>M</italic>
</sub> amounts to solving a linear system and does not pose an algorithmic problem. We use the remainder of this section to comment on the minimization problem <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> when a set of tensor trains is used instead.</p>
<p>Given samples <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m84">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> we can evaluate <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m85">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for each <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m86">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> If the coefficient tensor <italic>c</italic> of <italic>u</italic> can be represented in the TT format then we can use <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. 9</xref> to perform this evaluation efficiently for all samples <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m87">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> at once. For this we introduce for each <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic> the matrix<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m88">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x39e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then the <italic>M</italic>-dimensional vector of evaluations of <italic>u</italic> at all given sample points is given&#x20;by.</p>
<p>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g011.tif"/>where we use Operation <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref> to join the different <italic>M</italic>-dimensional indices.</p>
<p>The alternating least-squares algorithm cyclically updates each component tensor <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> by minimizing the residual corresponding to this contraction. To formalize this we define the operator <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m89">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m90">
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g012.tif"/>(16)</p>
<p>Then the update for <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> is given by a minimal residual solution of the linear system<disp-formula id="equ17">
<mml:math id="m91">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</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:math>
</disp-formula>where <italic>F</italic>(<italic>m</italic>)&#x2254;<italic>y</italic>
<sup>(<italic>m</italic>)</sup>&#x2254;<italic>f</italic> (<italic>x</italic>
<sup>(<italic>m</italic>)</sup>) and <italic>i</italic>
<sub>1</sub>, <italic>i</italic>
<sub>2</sub>, <italic>i</italic>
<sub>3</sub>, <italic>j</italic> are symbolic indices of dimensions <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2212;1</sub>, <italic>n</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>, <italic>M</italic>, respectively. The particular algorithm that is used for this minimization may be adapted to the problem at hand. These contractions are the basis for our algorithms in <italic>Method Description</italic>. We refer to [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] for more details on the ALS algorithm.</p>
<p>Note that it is possible to reuse parts of the contractions in &#x3a6;<sub>
<italic>k</italic>
</sub> through so called <italic>stacks</italic>. In this way not the entire contraction has to be computed for every <italic>k</italic>. The dashed boxes mark the parts of the contraction that can be reused. Details on that can be found in&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>].</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Theoretical Foundation</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Sample Complexity for Polynomials</title>
<p>The accuracy of the solution <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>,<italic>M</italic>
</sub> of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> in relation to <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub> is subject to tremendous interest on the part of the mathematics community. Two particular papers that consider this problem are [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]. While the former provides sharper error bounds for the case of linear ansatz spaces the latter generalizes the work and is applicable to tensor network spaces. We now recall the relevant result for convenience.</p>
<p>
<bold>Proposition 3.1.</bold> <italic>For any set</italic> <italic>W</italic>&#x20;&#x2286; <italic>L</italic>
<sup>2</sup>(&#x3a9;) &#x2229; <italic>L</italic>
<sup>
<italic>&#x221e;</italic>
</sup>(&#x3a9;)<italic>, define the</italic> variation constant<disp-formula id="equ18">
<mml:math id="m92">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>sup</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>\</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>
<italic>Let</italic> <italic>&#x3b4;</italic> &#x2208; (0, 2<sup>&#x2212;1/2</sup>)<italic>. If</italic> <italic>W</italic> <italic>is a subset of a finite dimensional linear space and</italic> <italic>k</italic>&#x2254;&#x2009;max{<italic>K</italic> ({<italic>f</italic>&#x20;&#x2212; <italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub>}), <italic>K</italic> ({<italic>u</italic>
<sub>
<italic>W</italic>
</sub>}&#x2212; <italic>W</italic>)} &#x3c; <italic>&#x221e;</italic> <italic>it holds that</italic>
<disp-formula id="equ19">
<mml:math id="m93">
<mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</disp-formula>
<italic>where</italic> <italic>q</italic> <italic>decreases exponentially with a rate of</italic> <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m94">
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>.</italic>
</p>
<p>
<italic>Proof</italic>. Since <italic>k</italic>&#x20;&#x3c; <italic>&#x221e;</italic>, Theorems 2.7 and 2.12 in [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] ensure that<disp-formula id="equ20">
<mml:math id="m95">
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>holds with a probability of at least <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m96">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</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:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The constant <italic>C</italic> is independent of <italic>M</italic> and, since <italic>W</italic> is a subset of a finite dimensional linear space, depends only polynomially on <italic>&#x3b4;</italic> and <italic>k</italic>
<sup>&#x2212;1</sup>. For <italic>&#x3b4;</italic> &#x2208; (0, 2<sup>&#x2212;1/2</sup>) it holds that <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m97">
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. This concludes the proof.</p>
<p>Note that the value of <italic>k</italic> depends only on <italic>f</italic> and on the set <italic>W</italic> but not on the particular choice of representation of <italic>W</italic>. However, the variation constant of spaces like <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m98">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> still depends on the underlying dictionary &#x3a8;. Although the proposition indicates that a low value of <italic>k</italic> is necessary to achieve a fast convergence, the tensor product spaces <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m99">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> considered thus far does not exhibit a small variation constant. The consequence of Proposition 3.1 is that elements of this space are hard to learn in general and may require an infeasible number of samples. To see this consider &#x3a9; &#x3d; [&#x2212;1,1]<sup>
<italic>d</italic>
</sup> and the function dictionary &#x3a8;<sub>Legendre</sub> of Legendre polynomials <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>. Let <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m100">
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and define <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m101">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Legendre</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for all <italic>&#x2113;</italic> &#x2208; <italic>L</italic>. Then, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m102">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> is an <italic>L</italic>
<sup>2</sup>-orthonormal basis for the linear subspace <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m103">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and one can show that<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m104">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>sup</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>by using techniques from [[<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], <italic>Sample Complexity for Polynomials</italic>] and the fact that each <italic>P</italic>
<sub>
<bold>
<italic>&#x2113;</italic>
</bold>
</sub> attains its maximum at 1. If <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m105">
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, we can interchange the sum and product in <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> and can conclude that <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m106">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. This means that we have to restrict the space <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m107">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> to obtain an admissible variation constant. We propose to use the space <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m108">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> of homogeneous polynomials of degree <italic>g</italic>. Employing <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> with <italic>L</italic>&#x20;&#x3d; {<bold>
<italic>&#x2113;</italic>
</bold> : &#x7c;<bold>
<italic>&#x2113;</italic>
</bold>&#x7c; &#x3d; <italic>d</italic>&#x20;&#x2b; <italic>g</italic>} we obtain the upper bound<disp-formula id="equ21">
<mml:math id="m109">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x230a;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x230b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mspace width="0.2em"/>
<mml:mi>mod</mml:mi>
<mml:mspace width="0.2em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x230a;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x230b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mspace width="0.2em"/>
<mml:mi>mod</mml:mi>
<mml:mspace width="0.2em"/>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</disp-formula>where the maximum is estimated by observing that (2 (<italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub> &#x2b; 1) &#x2212; 1) (2<italic>&#x2113;</italic>
<sub>2</sub> &#x2212; 1) &#x2264; (2<italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub> &#x2212; 1) (2 (<italic>&#x2113;</italic>
<sub>2</sub> &#x2b; 1) &#x2212; 1) &#x21d4; <italic>&#x2113;</italic>
<sub>2</sub> &#x2264; <italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub>. For <italic>g</italic>&#x20;&#x2264; <italic>d</italic> this results in the simplified bound <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m110">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>e</italic> is the Euler number. This improves the variation constant substantially compared to the bound <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m111">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, when <italic>g</italic>&#x20;&#x226a; <italic>d</italic>. A similar bound for the dictionary of monomials &#x3a8;<sub>monomial</sub> is more involved but can theoretically be computed in the same&#x20;way.</p>
<p>In this work, we focus on the case where the samples are drawn according to a probability measure on &#x3a9;. This however is not a necessity and it is indeed beneficial to draw the samples from an adapted sampling measure. Doing so, the theory in [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] ensures that <italic>K</italic>(<italic>V</italic>) &#x3d; dim(<italic>V</italic>) for all linear spaces <italic>V</italic> &#x2014;&#x20;independent of the underlying dictionary &#x3a8;. This in turn leads to the bounds <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m112">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m113">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>g</italic>&#x20;&#x2264; <italic>d</italic>. These optimally weighted least-squares methods however, are not the focus of this work and we refer the interested reader to the works [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Block Sparse Tensor Trains</title>
<p>Now that we have seen that it is advantageous to restrict ourselves to the space <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m114">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> we need to find a way to do so without loosing the advantages of the tensor train format. In [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] it was rediscovered from the physics community (see [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]) that if a tensor train is an eigenvector of certain Laplace-like operators it admits a block sparse structure. This means for a tensor train <italic>c</italic> the components <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> have zero blocks. Furthermore, this block sparse structure is preserved under key operations, like e.g. the TT-SVD. One possible operator which introduces such a structure is the Laplace-like operator<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m115">
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mtext>diag</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This is the operator mentioned in the introduction encoding a quantum symmetry. In the context of quantum mechanics this operator is known as the bosonic particle number operator but we simply call it the degree operator. The reason for this is that for the function dictionary of monomials &#x3a8;<sub>monomial</sub> the eigenspaces of <italic>L</italic> for eigenvalue <italic>g</italic> are associated with homogeneous polynomials of degreee <italic>g</italic>. Simply put, if the coefficient tensor <italic>c</italic> for the multivariate polynomial <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m116">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is an eigenvector of <italic>L</italic> with eigenvalue <italic>g</italic>, then <italic>u</italic> is homogeneous and the degree of <italic>u</italic> is <italic>g</italic>. In general there are polynomials in <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m117">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> with degree up to (<italic>p</italic>&#x20;&#x2212; 1)<italic>d</italic>. To state the results on the block-sparse representation of the coefficient tensor we need the partial operators<disp-formula id="equ22">
<mml:math id="m118">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mtext>diag</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mtext>diag</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>for which we have<disp-formula id="equ23">
<mml:math id="m119">
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In the following we adopt the notation <italic>x</italic>&#x20;&#x3d; <italic>Lc</italic> to abbreviate the equation<disp-formula id="equ24">
<mml:math id="m120">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<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:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<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:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>where <italic>L</italic> is a tensor operator acting on a tensor <italic>c</italic> with result&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>Recall that by Remark 2.16 every TT corresponds to a polynomial by multiplying function dictionaries onto the cores. This means that for every <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>r</italic> the TT <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m121">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a polynomial in the variables <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> and the TT <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m122">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a polynomial in the variables <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>. In general these polynomials are not homogeneous, i.e. they are not eigenvectors of the degree operators <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m123">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m124">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. But since TTs are not uniquely defined (cf. Remark 2.10) it is possible to find transformations of the component tensors <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> and <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;1</sub> that do not change the tensor <italic>c</italic> or the rank <italic>r</italic> but result in a representation where each <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m125">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and each <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m126">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> correspond to a homogeneous polynomial. Thus, if <italic>c</italic> represents a homogeneous polynomial of degree <italic>g</italic> and <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m127">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is homogeneous with <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m128">
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> then <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m129">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must be homogeneous with <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m130">
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>This is put rigorously in the first assertion in the subsequent Theorem 3.2. There <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m131">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> contains all the indices <italic>&#x2113;</italic> for which the reduced basis polynomials satisfy <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m132">
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Equivalently, it groups the basis functions <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m133">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> into functions of order <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m134">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The second assertion in Theorem 3.2 states that we can only obtain a homogeneous polynomial of degree <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the variables <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> by multiplying a homogeneous polynomial of degree <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the variables <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2212;1</sub> with a univariate polynomial of degree <italic>m</italic> in the variable <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>. This provides a constructive argument for the proof and can be used to ensure block-sparsity in the implementation. Note that this condition forces entire blocks in the component tensor <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> in equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">(20)</xref> to be zero and thus decreases the degrees of freedom.</p>
<p>
<bold>Theorem 3.2</bold> [[<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], <italic>Theorem 3.2]. Let</italic> <bold>
<italic>p</italic>
</bold> &#x3d; (<italic>p</italic>, &#x2026;, <italic>p</italic>) <italic>be a dimension tuple of size</italic> <italic>d</italic> <italic>and</italic> <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m137">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x5c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>, be a tensor train of rank</italic> <italic>r</italic>&#x20;&#x3d; (<italic>r</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>r</italic>
<sub>
<italic>d</italic>&#x2212;1</sub>)<italic>. Then</italic> <italic>Lc</italic> &#x3d; <italic>gc</italic> <italic>if and only if</italic> <italic>c</italic> <italic>has a representation with component tensors</italic> <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m138">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>that satisfies the following two properties.</italic>
</p>
<p>
<italic>1. For all</italic> <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>there exist</italic> <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m140">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>such that the left and right unfoldings satsify</italic>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m141">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
<italic>for</italic> <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m142">
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>.</italic>
</p>
<p>
<italic>2. The component tensors satisfy a block structure in the sets</italic> <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m143">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>for</italic> <italic>m</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>p</italic>
<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m144">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x21d2;</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2203;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2227;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
<italic>where we set</italic> <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m145">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>.</italic>
</p>
<p>Note that this generalizes to other dictionaries and is not restricted to monomials.</p>
<p>Although, block sparsity also appears for <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1&#x20;&#x2260; <italic>p</italic> we restrict ourselves to the case <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1&#x20;&#x3d; <italic>p</italic> in this work. Note that then the eigenspace of <italic>L</italic> for the eigenvalue <italic>g</italic> has a dimension equal to the dimension of the space of homogeneous polynomials, namely <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Defining <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m147">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, we can derive the following rank bounds.</p>
<p>
<bold>Lemma 3.3</bold> [[<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]<italic>, Lemma 3.6]. Let</italic> <bold>
<italic>p</italic>
</bold> &#x3d; (<italic>p</italic>, &#x2026;, <italic>p</italic>) <italic>be a dimension tuple of size</italic> <italic>d</italic> <italic>and</italic> <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m148">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x5c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<italic>, with</italic> <italic>Lc</italic> &#x3d; <italic>gc</italic>
<italic>. Assume that</italic> <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1&#x20;&#x3d; <italic>p</italic> <italic>then the block sizes</italic> <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m149">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>from Theorem</italic> 3.2&#x20;<italic>are bounded by</italic>
<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m150">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
<italic>for all</italic> <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; 1 <italic>and</italic> <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>and</italic> <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>k</italic>,0</sub> &#x3d; <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>k</italic>,<italic>g</italic>
</sub> &#x3d;&#x20;1<italic>.</italic>
</p>
<p>The proof of this lemma is based on a simple combinatorial argument. For every <italic>k</italic> consider the size of the groups <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m152">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m154">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can not exceed the sum of these sizes. Similarly, <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m155">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can not exceed <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m156">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. Solving these recurrence relations yields the&#x20;bound.</p>
<p>
<bold>Example 3.1</bold> (<italic>Block Sparsity</italic>)<bold>.</bold> Let <italic>p</italic>&#x20;&#x3d; 4 and <italic>g</italic>&#x20;&#x3d; 3 be given and let <italic>c</italic> be a tensor train such that <italic>Lc</italic> &#x3d; <italic>gc</italic>. Then for <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 2, &#x2026;, <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; 1 the component tensors <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> of <italic>c</italic> exhibit the following block sparsity (up to permutation). For indices <italic>i</italic> of order <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2212;1</sub> and <italic>j</italic> of order <italic>r</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>
<disp-formula id="equ25">
<mml:math id="m157">
<mml:mtable class="align-star" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>This block structure results from sorting the indices <italic>i</italic> and <italic>j</italic> in such a way that <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m158">
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for every <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The maximal block sizes <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m160">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; 1 are given by<disp-formula id="equ26">
<mml:math id="m161">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>As one can see by Lemma 3.3 the block sizes <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m162">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> can still be quite&#x20;high.</p>
<p>The expressive power of tensor train parametrizations can be understood by different concepts, such as locality or self similarity. We use the remainder of this section to provide <italic>d</italic>-independent rank bounds in the context of locality.</p>
<p>
<bold>Definition 3.2.</bold> Let <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m163">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> be a homogeneous polynomial and <italic>B</italic> be the symmetric coefficient tensor introduced in <italic>Parametrizing homogeneous polynomials by symmetric tensors</italic> We say that <italic>u</italic> has a variable locality of <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> if <italic>B</italic> (<italic>&#x2113;</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>&#x2113;</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub>) &#x3d; 0 for all <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> with<disp-formula id="equ27">
<mml:math id="m165">
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>
<bold>Example 3.3.</bold> Let <italic>u</italic> be a homogeneous polynomial of degree&#x20;2&#x20;with variable locality <italic>K</italic>
<sub>loc</sub>. Then the symmetric matrix <italic>B</italic> (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>) is <italic>K</italic>
<sub>loc</sub>-banded. For <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> &#x3d; 0 this means that <italic>B</italic> is diagonal and that <italic>u</italic> takes the form <disp-formula id="equ28">
<mml:math id="m166">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>This shows that variable locality removes mixed&#x20;terms.</p>
<p>
<bold>Remark 3.4.</bold> The locality condition in the following Theorem 3.4 is a sufficient, but in no way necessary, condition for a low rank. But since locality is a prominent feature of many physical phenomena, this condition allows us to identify an entire class of highly relevant functions which can be approximated very efficiently.</p>
<p>Consider, for example, a many-body system in one dimension, where each body is described by position and velocity coordinates. If the influence of neighboring bodies is much higher than the influence of more distant ones, the coefficients of the polynomial parts that depend on multiple variables often can be neglected. The forces in this system then exhibit a locality structure. An example of this is given in equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref> in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], where this structure is exhibited by the force that acts on the bodies. A similar structure also appears in the microscopic traffic models in <italic>Notation</italic> of&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>].</p>
<p>Another example is given by the polynomial chaos expansion of the stochastic process<disp-formula id="equ29">
<mml:math id="m167">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a8;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>for <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m168">
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, where &#x3a8; is the function dictionary of Hermite polynomials. In many applications, it is justified to assume that the magnitude of the covariance <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m169">
<mml:mi>Cov</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decays with the distance of the indices &#x7c;<italic>t</italic>
<sub>1</sub> &#x2212; <italic>t</italic>
<sub>2</sub>&#x7c; If the covariance decays fast enough, the coefficient tensor exhibits approximate locality, i.e. it can be well approximated by a coefficient tensor that satisfies the locality condition. Examples of this are Gaussian processes with a Mat&#xe9;rn kernel [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>] or Markov processes.</p>
<p>
<bold>Theorem 3.4.</bold> <italic>Let</italic> <bold>
<italic>p</italic>
</bold> &#x3d; (<italic>p</italic>, &#x2026;, <italic>p</italic>) <italic>be a dimension tuple of size</italic> <italic>d</italic> <italic>and</italic> <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m170">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x5c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>correspond to a homogeneous polynomial of degree</italic> <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1&#x20;&#x3d; <italic>p</italic> <italic>(i.e.</italic> <italic>Lc</italic> &#x3d; <italic>gc</italic>
<italic>) with variable locality</italic> <italic>K</italic>
<sub>loc</sub>
<italic>. Then the block sizes</italic> <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m171">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>are bounded by</italic>
<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m172">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
<italic>for all</italic> <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic>&#x20;&#x2212; 1 <italic>and</italic> <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>as well as</italic> <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>k</italic>,0</sub> &#x3d; <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>
<italic>k</italic>,<italic>g</italic>
</sub> &#x3d;&#x20;1<italic>.</italic>
</p>
<p>
<italic>Proof</italic>. For fixed <italic>g</italic>&#x20;&#x3e; 0 and a fixed component <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> recall that for each <italic>l</italic> the tensor <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m174">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a reduced basis function <italic>v</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> in the variables <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> and that for each <italic>l</italic> the tensor <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m175">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to a reduced basis function <italic>w</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> in the variables <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>. Further recall that the sets <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m176">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> group these <italic>v</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> and <italic>w</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub>. For all <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m177">
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> it holds that <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m178">
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m179">
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> we know from Lemma 3.3 that <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m182">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. Now fix any <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m183">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and arrange all the polynomials <italic>v</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> of degree <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a vector <italic>v</italic> and all polynomials <italic>w</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> of degree <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m185">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a vector <italic>w</italic>. Then every polynomial of the form <italic>v</italic>
<sup>&#x22ba;</sup>
<italic>Qw</italic> for some matrix <italic>Q</italic> satisfies the degree constraint and the maximal possible rank of <italic>Q</italic> provides an upper bound for the block size <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m186">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. However, due to the locality constraint we know that certain entries of <italic>Q</italic> have to be zero. We denote a variable of a polynomial as inactive if the polynomial is constant with respect to changes in this variable and active otherwise. Assume that the polynomials in <italic>v</italic> are ordered (ascendingly) according to the smallest index of their active variables and that the polynomials in <italic>w</italic> are ordered (ascendingly) according to the largest index of their active variables. With this ordering <italic>Q</italic> takes the form<disp-formula id="equ30">
<mml:math id="m187">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22f1;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center"/>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>This means that for <italic>&#x2113;</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> each block <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> matches a polynomial <italic>v</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> of degree <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the variables <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m189">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> with a polynomial <italic>w</italic>
<sub>
<italic>l</italic>
</sub> of degree <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m190">
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the variables <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;1</sub>, &#x2026;, <italic>x</italic>
<sub>
<italic>k</italic>&#x2b;<italic>&#x2113;</italic>
</sub>.</p>
<p>Observe that the number of rows in <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> decreases while the number columns increases with <italic>&#x2113;</italic>. This means that we can subdivide <italic>Q</italic> as<disp-formula id="equ31">
<mml:math id="m191">
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>where <italic>Q</italic>
<sub>C</sub> contains the blocks <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> with more rows than columns (i.e. full column rank) and <italic>Q</italic>
<sub>R</sub> contains the blocks <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> with more columns than rows (i.e. full row rank). So <italic>Q</italic>
<sub>C</sub> is a tall-and-skinny matrix while <italic>Q</italic>
<sub>R</sub> is a short-and-wide matrix and the rank for general <italic>Q</italic> is bounded by the sum over the column sizes of the <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> in <italic>Q</italic>
<sub>C</sub> plus the sum over the row sizes of the <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> in <italic>Q</italic>
<sub>R</sub> i.e.<disp-formula id="equ32">
<mml:math id="m192">
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">rank</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">rank</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>To conclude the proof it remains to compute the row and column sizes of <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub>. Recall that the number of rows of <italic>Q</italic>
<sub>
<italic>&#x2113;</italic>
</sub> equals the number of polynomials <italic>u</italic> of degree <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the variables <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m194">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> that can be represented as <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m195">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This corresponds to all possible <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of degree <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula> in the <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> &#x2212; <italic>&#x2113;</italic> &#x2b; 1 variables <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m198">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. This means that<disp-formula id="equ33">
<mml:math id="m199">
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x23;rows</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>and a similar argument yields<disp-formula id="equ34">
<mml:math id="m200">
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x23;columns</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>This concludes the proof.</p>
<p>This lemma demonstrates how the combination of the model space <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m201">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> with a tensor network space can reduce the space complexity by incorporating locality.</p>
<p>
<bold>Remark 3.5.</bold> The rank bound in Theorem 3.4 is only sharp for the highest possible rank. The precise bounds can be much smaller, especially for the first and last ranks, but are quite technical to write down. For this reason, we do not provide&#x20;them.</p>
<p>One sees that the bound only depends on <italic>g</italic> and <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> and is therefore <italic>d</italic>-independent.</p>
<p>
<bold>Remark 3.6.</bold> The rank bounds presented in this section do not only hold for the monomial dictionary &#x3a8;<sub>monomial</sub> but for all polynomial dictionaries &#x3a8; that satisfy deg(&#x3a8;<sub>
<italic>k</italic>
</sub>) &#x3d; <italic>k</italic>&#x20;&#x2212; 1 for all <italic>k</italic>&#x20;&#x3d; 1, &#x2026;, <italic>p</italic>. When we speak of polynomials of degree <italic>g</italic>, we mean the space <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m202">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>deg</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the dictionary of monomials &#x3a8;<sub>monomial</sub> the space <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m203">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> contains only homogeneous polynomials in the classical sense. However, when the basis of Legendre polynomials &#x3a8;<sub>Legendre</sub> is used one obtains a space in which the functions are not homogeneous in the classical sense. Note that we use polynomials since they have been applied successfully in practice, but other function dictionaries can be used as well. Also note that the theory is much more general as shown in [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] and is not restricted to the degree counting operator.</p>
<p>With Theorem 3.4 one sees that tensor trains are well suited to parametrize homogeneous polynomials of fixed degree where the symmetric coefficient tensor <italic>B</italic> (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>) is approximately banded (see also Example 3.3). This means, that there exist an <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> such that the error for a best approximation of <italic>B</italic> by a tensor <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with variable locality <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> is small. However, <italic>K</italic>
<sub>loc</sub> is not known precisely in practice but can only be assumed by physical understanding of the problem at hand. Therefore, we still rely on rank adaptive schemes to find appropriate rank and block sizes. Moreover, the locality property heavily depends on the ordering of the modes. This ordering can be optimized, for example, by using entropy measures for the correlation of different modes, as it is done in quantum chemistry (cf. [[<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>], Remark 4.2]) or by model selection methods (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Method Description</title>
<p>In this section we utilize the insights of <italic>Theoretical Foundation</italic> to refine the approximation spaces <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m205">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m206">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and adapt the <italic>alternating least-squares (ALS</italic>
<italic>)</italic> method to solve the related least-squares problems. First, we define the subset<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m207">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;is&#x2009;block</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>sparse&#x2009;with&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;for&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>and provide an algorithm for the related least-squares problem in Algorithm 1 which is a slightly modified version of the classical ALS [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>].<xref ref-type="fn" rid="fn1">
<sup>1</sup>
</xref> With this definition a straight-forward application of the concept of block-sparsity to the space <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m208">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is given by<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m209">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This means that every polynomial in <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m210">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> can be represented by a sum of orthogonal coefficient tensors<xref ref-type="fn" rid="fn2">
<sup>2</sup>
</xref>
<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m211">
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>where</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>There is however another, more compact, way to represent this function. Instead of storing <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1 different tensor trains <italic>c</italic>
<sup>(0)</sup>, &#x2026;, <italic>c</italic>
<sup>(<italic>g</italic>)</sup> of order <italic>d</italic>, we can merge them into a single tensor <italic>c</italic> of order <italic>d</italic>&#x20;&#x2b; 1 such that <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m212">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The summation over <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can then be represented by a contraction of a vector of 1&#x2019;s to the (<italic>d</italic>&#x20;&#x2b; 1)-th mode. To retain the block-sparse representation we can view the (<italic>d</italic>&#x20;&#x2b; 1)-th component as an artificial component representing a shadow variable <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>&#x2b;1</sub>.</p>
<p>
<bold>Remark 4.1.</bold> The introduction of the shadow variable <italic>x</italic>
<sub>
<italic>d</italic>&#x2b;1</sub> contradicts the locality assumptions of Theorem 3.4 and implies that the worst case rank bounds must increase. This can be problematic since the block size contributes quadratically to the number of parameters. However, a proof similar to that of Theorem 3.4 can be made in this setting and one can show that the bounds remain independent of <italic>d</italic>
<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m214">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mfenced open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loc</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo accent="true">&#x332;</mml:mo>
</mml:munder>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>where the changes to <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> are underlined. This is crucial, since in practice one can assume locality by physical understanding of the problem at hand. With this statement, we can guarantee that the ranks are only slightly changed by the auxiliary contraction and the locality property is not destroyed.</p>
<p>We denote the set of polynomials that results from this augmented block-sparse tensor train representation as<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m215">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where again <italic>&#x3c1;</italic> provides a bound for the block-size in the representation.</p>
<p>Since <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m216">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is defined analogously to <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m217">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> we can use <xref ref-type="table" rid="T4">Algorithm&#x20;1</xref> to solve the related least-squares problem by changing the contraction <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> to<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m218">
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
<inline-graphic xlink:href="fams-07-702486-g013.tif"/>
</p>
<table-wrap id="T4" position="float">
<label>Algorithm 1</label>
<caption>
<p>Extended ALS (SALSA) for the least-squares problem on <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m235">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</caption>
<table>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<bold>input:</bold> Data pairs <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>m</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>M</italic>, a function dictionary &#x3a8;, a maximal degree <italic>g</italic>, and a maximal block size <italic>&#x3c1;</italic>.</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>output:</bold> Coefficent tensor <italic>c</italic> of a function <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m237">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that approximates the data.</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">For <italic>k</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic> compute &#x39e;<sub>
<italic>k</italic>
</sub> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Initialize the coefficient tensor <italic>c</italic> for <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m238">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Initialize SALSA parameters;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>while</bold> <italic>not converged</italic> <bold>do</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Right orthogonalize <italic>c</italic>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>for</bold> <italic>k</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>d</italic> <bold>do</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Compute &#x3a6;<sub>
<italic>k</italic>
</sub> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Compute the index set <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m239">
<mml:mi mathvariant="script">I</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> of the non-zeros components in <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Update <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> by solving the SALSA-regularized version of &#x3a6;<sub>
<italic>k</italic>
</sub> (<italic>j</italic>, <italic>i</italic>
<sup>3</sup>) &#x22c5; <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub>(<italic>i</italic>
<sup>3</sup>) &#x3d; <italic>y</italic>(<italic>j</italic>) restricted to <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m240">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">I</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Left orthogonalize <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> and adapt the <italic>k</italic>
<sub>th</sub> rank while respecting block size bounds <italic>&#x3c1;</italic> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>end</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Update SALSA parameters;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>end</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>return</bold> <italic>c</italic>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>To optimize the coefficient tensors <italic>c</italic>
<sup>(0)</sup>, &#x2026;, <italic>c</italic>
<sup>(<italic>g</italic>)</sup> in the space <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m219">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> we resort to an alternating scheme. Since the coefficient tensors are mutually orthogonal we propose to optimize each <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m220">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> individually while keeping the other summands <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m221">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> fixed. This means that we solve the problem<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m222">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable class="subarray-c" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>F</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>which can be solved using <xref ref-type="table" rid="T4">Algorithm&#x20;1</xref>. The original problem <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> is then solved by alternating over <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> until a suitable convergence criterion is met. The complete algorithm is summarized in <xref ref-type="table" rid="T5">Algorithm&#x20;2</xref>.</p>
<table-wrap id="T5" position="float">
<label>Algorithm 2</label>
<caption>
<p>Alternating extended ALS (SALSA) for the least-squares problem on <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m241">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</caption>
<table>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<bold>input:</bold> Data pairs <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>m</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>M</italic>, a function dictionary &#x3a8;, a maximal degree <italic>g</italic>, and a maximal block size <italic>&#x3c1;</italic>.</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>output:</bold> Coefficent tensors <italic>c</italic>
<sup>(0)</sup>, &#x2026;, <italic>c</italic>
<sup>(<italic>g</italic>)</sup> of a function <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m243">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> that approximates the data.</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Initialize the coefficient tensors <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m244">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m245">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>while</bold> <italic>not converged</italic> <bold>do</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>for</bold> <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>do</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Compute <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m248">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <italic>m</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>M</italic>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Update <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m249">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> by using Algorithm 1 on the data pairs (<italic>x</italic>
<sup>(<italic>m</italic>)</sup>, <italic>z</italic>
<sup>(<italic>m</italic>)</sup>) for <italic>m</italic> &#x3d; 1, &#x2026;, <italic>M</italic>;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>end</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>end</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<bold>return</bold> <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m250">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> <italic>for</italic> <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The proposed representation has several advantages. The optimization with the tensor train structure is computationally less demanding than solving directly in <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m224">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Let <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m225">
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>dim</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msubsup>
<mml:mrow/>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. Then a reconstruction on <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m226">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> requires to solve a linear system of size <italic>M</italic>&#x20;&#xd7; <italic>D</italic> while a microstep in an ALS sweep only requires the solution of systems of size less than <italic>Mpr</italic>
<sup>2</sup> (depending on the block sizes <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m227">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>). Moreover, the stack contractions as shown in <italic>Least Squares</italic> also benefit from the block sparse structure. This also means that the number of parameters of a full rank <italic>r</italic> tensor train can be much higher than the number of parameters of several <italic>c</italic>
<sup>(<italic>m</italic>)</sup>&#x2019;s which individually have ranks that are even larger than&#x20;<italic>r</italic>.</p>
<p>
<bold>Remark 4.2.</bold> Let us comment on the practical pondering behind choosing <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m228">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m229">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> by stating some pros and cons of [1]these parametrizations. We expect that solving the least-squares problem for <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m230">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> will be faster than for <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m231">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> since it is computational more efficient to optimize all polynomials simultaneously than every degree individually in an alternating fashion. On the other hand, the hierarchical scheme of the summation approach may allow one to utilize multi-level Monte Carlo approaches. Together with the fact that every degree <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> possesses a different optimal sampling density this may result in a drastically improved best case sample efficiency for the direct method. Additionally, with <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m233">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> it is easy to extend the ansatz space simply by increasing <italic>g</italic> which is not so straight-forward for <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m234">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Which approach is superior depends on the problem at&#x20;hand.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Numerical Results</title>
<p>In this section we illustrate the numerical viability of the proposed framework on some simple but common problems. We estimate the relative errors on test sets with respect to the sought function <italic>f</italic> and are interested in the required number of samples leading to recovery. Our implementation is meant only as a proof of concept and does not lay any emphasis on efficiency. The rank is chosen a priori, the stopping criteria are na&#xef;vely implemented and rank adaptivity, as would be provided by SALSA, is missing all together.<sup>3</sup> For this reason we only compare the methods in terms of degrees of freedom and accuracy and not in terms of computing time. These are relevant quantities nonetheless, since the degrees of freedom are often the limiting factor in high dimensions and the computing time is directly related to the number of degrees of freedom.</p>
<p>In the following we always assume <italic>p</italic>&#x20;&#x3d; <italic>g</italic>&#x20;&#x2b; 1. We also restrict the group sizes to be bounded by the parameter <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub>. In our experiments we choose <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub> without any particular strategy but ideally, <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub> would be determined adaptively by the use of SALSA, which we did not do in this work. For every sample size the error plots show the distribution of the errors between the 0.15 and 0.85 quantile. The code for all experiments has been made publicly available at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/ptrunschke/block_sparse_tt">https://github.com/ptrunschke/block_sparse_tt</ext-link>.</p>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Riccati Equation</title>
<p>In this section we consider the closed-loop linear quadratic optimal control problem<disp-formula id="equ35">
<mml:math id="m252">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>minimize</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mtext>subject&#x2009;to</mml:mtext>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left"/>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>After a spatial discretization of the heat equation with finite differences we obtain a <italic>d</italic>-dimensional system of the form<disp-formula id="equ36">
<mml:math id="m253">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>minimize</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>subject&#x2009;to</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>It is well known [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>] that the value function for this problem takes the form <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m254">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x22ba;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> where <italic>P</italic> can be computed by solving the <italic>algebraic Riccati equation (ARE)</italic>. It is therefore a homogeneous polynomial of degree 2. This function is a perfect example of a function that can be well-approximated in the space <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m255">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. We approximate the value function on the domain &#x3a9; &#x3d; [&#x2212;1,1]<sup>
<italic>d</italic>
</sup> for <italic>d</italic>&#x20;&#x3d; 8 with the parameters <italic>g</italic>&#x20;&#x3d; 2 and <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub> &#x3d;&#x20;4.</p>
<p>In this experiment we use the dictionary of monomials &#x3a8; &#x3d; &#x3a8;<sub>monomial</sub> (cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref>) and compare the ansatz spaces <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m256">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m257">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m258">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m259">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Since the function <italic>v</italic>(<italic>x</italic>) is a general polynomial we use Lemma 3.3 to calculate the maximal block size 4. This guarantees perfect reconstruction since <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m260">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. The rank bound 6 is chosen s.t. <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m261">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The degrees of freedom of all used spaces are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>. In <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref> we compare the relative error of the respective ansatz spaces. It can be seen that the block sparse ansatz space recovers almost as well as the sparse approach. As expected, the dense TT format is less favorable with respect to the sample&#x20;size.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Degrees of freedom for the full space <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m262">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> of homogeneous polynomials of degree <italic>g</italic>&#x20;&#x3d;2, the TT variant <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m263">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with maximal block size &#x3c1;<sub>max</sub> &#x3d;4, the space <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m264">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with TT rank bounded by <italic>r</italic>&#x20;&#x3d;6, and the full space <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m265">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for completeness.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m266">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m267">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m268">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m269">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">36</td>
<td align="center">94</td>
<td align="center">390</td>
<td align="center">6561</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>0.15&#x2013;0.85 quantiles for the recovery error in <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m270">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (blue), <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m271">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (orange), and <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m272">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (green). The relative error is computed with respect to the <italic>L</italic>
<sup>2</sup>-norm using a Monte Carlo estimation with 10<sup>6</sup> samples.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fams-07-702486-g001.tif"/>
</fig>
<p>A clever change of basis, given by the diagonalization of <italic>Q</italic>, can reduce the required block size from 4 to 1. This allows to extend the presented approach to higher dimensional problems. The advantage over the classical Riccati approach becomes clear when considering non-linear versions of the control problem that do not exhibit a Riccati solution. This is done in [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] using the dense TT-format <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m273">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Gaussian Density</title>
<p>As a second example we consider the reconstruction of an unnormalized Gaussian density<disp-formula id="equ37">
<mml:math id="m274">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</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:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>again on the domain &#x3a9; &#x3d; [&#x2212;1,1]<sup>
<italic>d</italic>
</sup> with <italic>d</italic>&#x20;&#x3d; 6. For the dictionary &#x3a8;&#x20;&#x3d; &#x3a8;<sub>Legendre</sub> [cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>] we chose <italic>g</italic>&#x20;&#x3d; 7, <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub> &#x3d; 1 and <italic>r</italic>&#x20;&#x3d; 8 and compare the reconstruction w.r.t. <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m275">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m276">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m277">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">(24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">(8)</xref>. The degrees of freedom resulting from these different discretizations are compared in <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref>. This example is interesting because here the roles of the spaces are reversed. The function has product structure<disp-formula id="equ38">
<mml:math id="m278">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>and can therefore be well approximated as a rank 1 tensor train with each component <italic>C</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> just being a best approximation for <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m279">
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the used function dictionary. Therefore, we expect the higher degree polynomials to be important. A comparison of the relative errors to the exact solution are depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>. This example demonstrates the limitations of the ansatz space <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m280">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> which is not able to exploit the low-rank structure of the function <italic>f</italic>. Using <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m281">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> can partially remedy this problem as can be seen by the improved sample efficiency. But since <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m282">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2286;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> the final approximation error of <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m283">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> can not deceed that of <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m284">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. One can see that the dense format <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m285">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> produces the best results but is quite unstable compared to the other ansatz classes. This instability is a result of the non-convexity of the set <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m286">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and we observe that the chance of getting stuck in a local minimum increases when the rank <italic>r</italic> is reduced from 8 to 1. Finally, we want to address the peaks that are observable at <italic>M</italic>&#x20;&#x2248; 500 samples for <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m287">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>M</italic>&#x20;&#x2248; 1716 samples for <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m288">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. For this recall that the approximation in <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m289">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> amounts to solving a linear system which is underdetermined for <italic>M</italic>&#x20;&#x3c; 1716 samples and overdetermined for <italic>M</italic>&#x20;&#x3e; 1716 samples. In the underdetermined case we compute the minimum norm solution and in the overdetermined case we compute the least-squares solution. It is well-known that the solution to such a reconstruction problem is particularly unstable in the area of this transition [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]. Although the set <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m290">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is non-linear we take the peak at <italic>M</italic>&#x20;&#x2248; 500 as evidence for a similar effect which is produced by the similar linear systems that are solved in the micro steps in the&#x20;ALS.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Degrees of freedom for the full space <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m291">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, the TT variant <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m292">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> with maximal block size &#x3c1;<sub>max</sub> &#x3d;1, the space <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m293">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with TT rank bounded by <italic>r</italic>&#x20;&#x3d;1, the space <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m294">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with TT rank bounded by <italic>r</italic>&#x20;&#x3d;8, and the full space <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m295">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for completeness.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m296">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m297">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m298">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m299">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m300">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">1716</td>
<td align="center">552</td>
<td align="center">48</td>
<td align="center">2,176</td>
<td align="center">262,144</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>0.15&#x2013;0.85 quantiles for the recovery error in <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m301">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (blue), <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m302">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>7,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (orange), <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m303">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (green), and <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m304">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red). The relative error is computed with respect to the <italic>L</italic>
<sup>2</sup>-norm using a Monte Carlo estimation with 10<sup>6</sup> samples.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fams-07-702486-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>5.3 Quantities of Interest</title>
<p>The next considered problem often arises when computing quantities of interest from random partial differential equations. We consider the stationary diffusion equation<disp-formula id="equ39">
<mml:math id="m305">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>on <italic>D</italic>&#x20;&#x3d; [&#x2212;1,1]<sup>2</sup>. This equation is parametric in <italic>y</italic>&#x20;&#x2208; [&#x2212;1,1]<sup>
<italic>d</italic>
</sup>. The randomness is introduced by the uniformly distributed random variable <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m306">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that enters the diffusion coefficient<disp-formula id="equ40">
<mml:math id="m307">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x30c;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m308">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x230a;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x230b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m309">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x30c;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2308;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2309;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The solution <italic>u</italic> often measures the concentration of some substance in the domain &#x3a9; and one is interested in the total amount of this substance in the entire domain<disp-formula id="equ41">
<mml:math id="m310">
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>An important result proven in [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] ensures the <italic>&#x2113;</italic>
<sup>
<italic>p</italic>
</sup> summability, for some 0 &#x3c; <italic>p</italic>&#x20;&#x2264; 1, of the polynomial coefficients of the solution of this equation in the dictionary of Chebyshev polynomials. This means that the function is very regular and we presume that it can be well approximated in <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m311">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for the dictionary of Legendre polynomials &#x3a8;<sub>Legendre</sub>. For our numerical experiments we chose <italic>d</italic>&#x20;&#x3d; 10, <italic>g</italic>&#x20;&#x3d; 5 and <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>max</sub> &#x3d; 3 and again compare the reconstruction w.r.t. <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m312">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, the block-sparse TT representations of <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m313">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m314">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and a dense TT representation of <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m315">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with rank <italic>r</italic>&#x20;&#x2264; 14. Admittedly, the choice <italic>d</italic>&#x20;&#x3d; 10 is relatively small for this problem but was necessary since the computation on <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m316">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> took prohibitively long for larger values. A comparison of the degrees of freedom for the different ansatz spaces is given in <xref ref-type="table" rid="T3">Table&#x20;3</xref> the relative errors to the exact solution are depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>. In this plot we can recognize the general pattern that a lower number of parameters can be associated with an improved sample efficiency. However, we also observe that for small <italic>M</italic> the relative error for <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m317">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is smaller than for <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m318">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. We interpret this as a consequence of the regularity of <italic>u</italic> since the alternating scheme for the optimization in <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m319">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> favors lower degree polynomials by construction. In spite of this success, we have to point out that optimizing over <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m320">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> took about 10&#x20;times longer than optimizing over <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m321">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Finally, we observe that the recovery in <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m322">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> produces unexpectedly large relative errors when compared to previous results in [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. This suggests that the rank-adaptive algorithm from [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] has a strong regularizing effect that improves the sample efficiency.</p>
<table-wrap id="T3" position="float">
<label>TABLE 3</label>
<caption>
<p>Degrees of freedom for the full space <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m323">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, the TT variant <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m324">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> with maximal block size &#x3c1;<sub>max</sub> &#x3d;3, the space <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m325">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with TT rank bounded by <italic>r</italic>&#x20;&#x3d;14, and the full space <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m326">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> for completeness.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">
<inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m327">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m328">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m329">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m330">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m331">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">3,003</td>
<td align="center">1726</td>
<td align="center">803</td>
<td align="center">7,896</td>
<td align="center">60,466,176</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>0.15&#x2013;0.85 quantiles for the recovery error in <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m332">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (blue), <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m333">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (orange), <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m334">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5,3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> (green), and <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m335">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (red). The relative error is computed with respect to the <italic>L</italic>
<sup>2</sup>-norm using a Monte Carlo estimation with 10<sup>6</sup> samples. The experiment for <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m336">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was stopped early at <italic>M</italic>&#x20;&#x3d;1,200 due to its prohibitive computational demand and because the expected behaviour is already observable.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fams-07-702486-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>We introduce block sparsity [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] as an efficient tool to parametrize, multivariate polynomials of bounded degree. We discuss how to extend this to general multivariate polynomials of bounded degree and prove bounds for the block sizes for certain polynomials. As an application we discuss the problem of function identification from data for tensor train based ansatz spaces and give some insights into when these ansatz spaces can be used efficiently. For this we motivate the usage of low degree multivariate polynomials by approximation results (e.g. [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]) and recent results on sample complexity [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]. This leads to a novel algorithm for the problem at hand. We then demonstrate the applicability of this algorithm to different problems. Up until now block sparse tensor trains are not used for these recovery tasks. The numerical examples, however, demonstrate that at least dense tensor trains can not compete with our novel block-sparse approach. We observe that the sample complexity can be much more favorable for successful system identification with block sparse tensor trains than with dense tensor trains or purely sparse representations. We expect that the inclusion of rank-adaptivity using techniques from SALSA or bASD is straight forward, which we therefore consider an interesting direction from an applied point of view for forthcoming papers. We expect, that this would improve the numerical results even further. The introduction of rank-adaptivity would moreover alleviate the problem of having to choose a block size a-priori. Finally, we want to reiterate that the spaces of polynomials with bounded degree are predestined for the application of least-squares recovery with an optimal sampling density (cf [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>]) which holds opportunities for further improvement of the sample efficiency. This leads us to the strong believe that the proposed algorithm can be applied successfully to other high dimensional problems in which the sought function exhibits sufficient regularity.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s7">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The datasets presented in this study can be found in online repositories. The names of the repository/repositories and accession number(s) can be found below: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/ptrunschke/block_sparse_tt">https://github.com/ptrunschke/block_sparse_tt</ext-link>.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author Contributions</title>
<p>MG is the main contributor of the block-sparse tensor train section. RS is the main contributor of the method section. PT is the main contributor of the sample complexity section, the implementation of the experiments and contributed to the proof of the main Theorem. All authors contributed to every section and contributed equally to the introduction and to the discussion.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>MG was funded by DFG (SCHN530/15-1). RS was supported by the Einstein Foundation Berlin. PT acknowledges support by the Berlin International Graduate School in Model and Simulation based Research (BIMoS).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<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 id="s11" sec-type="disclaimer">
<title>Publisher&#x2019;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>
<fn-group>
<fn id="fn1">
<label>1</label>
<p>It is possible to include rank adaptivity as in SALSA [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] or bASD [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] and we have noted this in the relevant places.</p>
</fn>
<fn id="fn2">
<label>2</label>
<p>The orthogonality comes from the symmetry of <italic>L</italic> which results in orthogonal eigenspaces.</p>
</fn>
<fn id="fn3">
<label>3</label>
<p>We expect, that an application of the state-of-the-art SALSA algorithm to the block-sparse model class, as described in Section 4, is straight forward.</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>Brunton</surname>
<given-names>SL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Proctor</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutz</surname>
<given-names>JN</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Discovering Governing Equations from Data by Sparse Identification of Nonlinear Dynamical Systems</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2016</year>) <volume>113</volume>(<issue>15</issue>):<fpage>3932</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1517384113</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.,</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gel&#x00DF;</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Klus</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eisert</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sch&#xfc;tte</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multidimensional Approximation of Nonlinear Dynamical Systems</article-title>. <source>J&#x20;Comput Nonlinear Dyn</source> (<year>2019</year>) <volume>14</volume>(<issue>6</issue>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.4043148</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goe&#xdf;mann</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>G&#xf6;tte</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roth</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ryan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutyniok</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eisert</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Tensor Network Approaches for Data-Driven Identification of Non-linear Dynamical Laws</source> (<year>2020</year>). <comment>NeurIPS2020 - Tensorworkshop</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kazeev</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khoromskij</surname>
<given-names>BN</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Low-Rank Explicit QTT Representation of the Laplace Operator and its Inverse</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Matrix Anal Appl</source> (<year>2012</year>) <volume>33</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>742</fpage>&#x2013;<lpage>58</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/100820479</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kazeev</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwab</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantized Tensor-Structured Finite Elements for Second-Order Elliptic PDEs in Two Dimensions</article-title>. <source>Numer Math</source> (<year>2018</year>) <volume>138</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>133</fpage>&#x2013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00211-017-0899-1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bachmayr</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kazeev</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stability of Low-Rank Tensor Representations and Structured Multilevel Preconditioning for Elliptic PDEs</article-title>. <source>Found Comput Math</source> (<year>2020</year>) <volume>20</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>1175</fpage>&#x2013;<lpage>236</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10208-020-09446-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eigel</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfeffer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Adaptive Stochastic Galerkin FEM with Hierarchical Tensor Representations</article-title>. <source>Numer Math</source> (<year>2016</year>) <volume>136</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>765</fpage>&#x2013;<lpage>803</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00211-016-0850-x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dolgov</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kalise</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kunisch</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Tensor Decomposition Methods for High-Dimensional Hamilton-Jacobi-Bellman Equations</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>1908.01533 [cs, math]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oster</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sallandt</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Approximating the Stationary Hamilton-Jacobi-Bellman Equation by Hierarchical Tensor Products</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:1911.00279 [math]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Richter</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sallandt</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>N&#xfc;sken</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Solving High-Dimensional Parabolic PDEs Using the Tensor Train Format</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2102.11830 [cs, math, stat]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Christian</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martin</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leon</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Philipp</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Pricing High-Dimensional Bermudan Options with Hierarchical Tensor Formats</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2103.01934 [cs, math, q-fin]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Glau</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kressner</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Statti</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Low-Rank Tensor Approximation for Chebyshev Interpolation in Parametric Option Pricing</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Finan Math</source> (<year>2020</year>) <volume>11</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>897</fpage>&#x2013;<lpage>927</lpage>. <comment>Publisher: Society for Industrial and Applied Mathematics</comment> <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/19m1244172</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eigel</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neumann</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-intrusive Tensor Reconstruction for High-Dimensional Random PDEs</article-title>. <source>Comput Methods Appl Math</source> (<year>2019</year>) <volume>19</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>39</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/cmam-2018-0028</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eigel</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trunschke</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Variational Monte Carlo&#x2013;Bridging Concepts of Machine Learning and High-Dimensional Partial Differential Equations</article-title>. <source>Adv Comput Math</source> (<year>2019</year>) <volume>45</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>2503</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10444-019-09723-8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oseledets</surname>
<given-names>IV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karniadakis</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daniel</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Enabling High-Dimensional Hierarchical Uncertainty Quantification by Anova and Tensor-Train Decomposition</article-title>. <source>IEEE Trans Comput.-Aided Des Integr Circuits Syst</source> (<year>2015</year>) <volume>34</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>63</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcad.2014.2369505</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Klus</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gel&#xdf;</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tensor-Based Algorithms for Image Classification</article-title>. <source>Algorithms</source> (<year>2019</year>) <volume>12</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>240</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/a12110240</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stoudenmire</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwab</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
</person-group> &#x201c;<article-title>Advances in Neural Information Processing Systems</article-title>,&#x201d; in <source>Supervised Learning with Tensor Networks</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiyama</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luxburg</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guyon</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garnett</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group>. <publisher-name>Curran Associates, Inc.</publisher-name> (<comment>2016</comment>) <volume>29</volume>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://proceedings.neurips.cc/paper/2016/file/5314b9674c86e3f9d1ba25ef9bb32895-Paper.pdf/">https://proceedings.neurips.cc/paper/2016/file/5314b9674c86e3f9d1ba25ef9bb32895-Paper.pdf/</ext-link>
</comment> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oseledets</surname>
<given-names>IV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>DMRG Approach to Fast Linear Algebra in the TT-Format</article-title>. <source>Comput Methods Appl Math</source> (<year>2011</year>) <volume>11</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>382</fpage>&#x2013;<lpage>393</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2478/cmam-2011-0021</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Holtz</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rohwedder</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Alternating Linear Scheme for Tensor Optimization in the Tensor Train Format</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Sci Comput</source> (<year>2012</year>) <volume>34</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>A683</fpage>&#x2013;<lpage>A713</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/100818893</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>White</surname>
<given-names>SR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Density Matrix Formulation for Quantum Renormalization Groups</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1992</year>) <volume>69</volume>(<issue>19</issue>):<fpage>2863</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.69.2863</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grasedyck</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kr&#xe4;mer</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stable ALS Approximation in the TT-Format for Rank-Adaptive Tensor Completion</article-title>. <source>Numer Math</source> (<year>2019</year>) <volume>143</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>855</fpage>&#x2013;<lpage>904</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00211-019-01072-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Holtz</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rohwedder</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On Manifolds of Tensors of Fixed TT-Rank</article-title>. <source>Numer Math</source> (<year>2012</year>) <volume>120</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>701</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00211-011-0419-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lubich</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oseledets</surname>
<given-names>IV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vandereycken</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Time Integration of Tensor Trains</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Numer Anal</source> (<year>2015</year>) <volume>53</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>917</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/140976546</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chevreuil</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lebrun</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nouy</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rai</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A Least-Squares Method for Sparse Low Rank Approximation of Multivariate Functions</article-title>. <source>Siam/asa J&#x20;Uncertainty Quantification</source> (<year>2015</year>) <volume>3</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>897</fpage>&#x2013;<lpage>921</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/13091899x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grelier</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anthony</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chevreuil</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Learning with Tree-Based Tensor Formats</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2019</year>). <comment>arXiv:1811.04455 [cs, math, stat]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grelier</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anthony</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lebrun</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Learning High-Dimensional Probability Distributions Using Tree Tensor Networks</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:1912.07913 [cs, math, stat]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haberstich</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Adaptive Approximation of High-Dimensional Functions with Tree Tensor Networks for Uncertainty Quantification</source> (<year>2020</year>) <comment>Theses, &#xc9;cole centrale de Nantes</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Singh</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfeifer</surname>
<given-names>RNC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vidal.</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tensor Network Decompositions in the Presence of a Global Symmetry</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>2010</year>) <volume>82</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>050301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreva.82.050301</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Markus</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Michael</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Max</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Particle Number Conservation and Block Structures in Matrix Product States</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2104.13483 [math.NA, quant-ph]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Breiten</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kunisch</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfeiffer</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Taylor Expansions of the Value Function Associated with a Bilinear Optimal Control Problem</article-title>. <source>Ann de l&#x27;Institut Henri Poincar&#xe9; C, Analyse non lin&#xe9;aire</source> (<year>2019</year>) <volume>36</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>1361</fpage>&#x2013;<lpage>99</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.anihpc.2019.01.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hansen</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwab</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Analytic Regularity and Nonlinear Approximation of a Class of Parametric Semilinear Elliptic PDEs</article-title>. <source>Mathematische Nachrichten</source> (<year>2012</year>) <volume>286</volume>(<issue>8-9</issue>):<fpage>832</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mana.201100131</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Eigel</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trunschke</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Convergence Bounds for Empirical Nonlinear Least-Squares</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name>. <comment>arXiv:2001.00639 [cs, math]</comment>, <year>2020</year>.</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oliphant</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Guide to NumPy</source> (<year>2006</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huber</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Xerus - A General Purpose</source> (<year>2014</year>). <comment>Tensor Library</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Espig</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hackbusch</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Handschuh</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimization Problems in Contracted Tensor Networks</article-title>. <source>Comput Vis Sci.</source> (<year>2011</year>) <volume>14</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>271</fpage>&#x2013;<lpage>85</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00791-012-0183-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oseledets</surname>
<given-names>IVV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tensor-Train Decomposition</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Sci Comput</source> (<year>2011</year>) <volume>33</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>2295</fpage>&#x2013;<lpage>317</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/090752286</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hackbusch</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
</person-group>. <source>On the Representation of Symmetric and Antisymmetric Tensors. Preprint</source>. <publisher-loc>Leipzig, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences</publisher-name> (<year>2016</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wolf</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Low Rank Tensor Decompositions for High Dimensional Data Approximation, Recovery and Prediction</source>. [<comment>PhD thesis</comment>]. <publisher-loc>TU Berlin</publisher-loc> (<year>2019</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cohen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Migliorati</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal Weighted Least-Squares Methods</article-title>. <source>SMAI J&#x20;Comput Math</source> (<year>2017</year>) <volume>3</volume>:<fpage>181</fpage>&#x2013;<lpage>203</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5802/smai-jcm.24</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Haberstich</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anthony</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perrin</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Boosted Optimal Weighted Least-Squares</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2020</year>). <comment>arXiv:1912.07075 [math.NA]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>G&#xf6;ttlich</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schillinger</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Microscopic and Macroscopic Traffic Flow Models Including Random Accidents</source> (<year>2021</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rasmussen</surname>
<given-names>CE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>CKI</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Gaussian Processes for Machine Learning</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>MIT Press</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cornford</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nabney</surname>
<given-names>IT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>CKI</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Modelling Frontal Discontinuities in Wind fields</article-title>. <source>J&#x20;Nonparametric Stat</source> (<year>2002</year>) <volume>14</volume>(<issue>1-2</issue>):<fpage>43</fpage>&#x2013;<lpage>58</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/10485250211392</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Szalay</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfeffer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Murg</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barcza</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Verstraete</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schneider</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Tensor Product Methods and Entanglement Optimization Forab Initioquantum Chemistry</article-title>. <source>Int J&#x20;Quan Chem.</source> (<year>2015</year>) <volume>115</volume>(<issue>19</issue>):<fpage>1342</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/qua.24898</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Michel</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nouy</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Learning with Tree Tensor Networks: Complexity Estimates and Model Selection</source>. <publisher-name>arXiv</publisher-name> (<year>2021</year>). <comment>arXiv:2007.01165 [math.ST]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ballani</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grasedyck</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tree Adaptive Approximation in the Hierarchical Tensor Format</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Sci Comput</source> (<year>2014</year>) <volume>36</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>A1415</fpage>&#x2013;<lpage>A1431</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/130926328</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Curtain</surname>
<given-names>RF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hans</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <source>An Introduction to Infinite-Dimensional Linear Systems Theory</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1995</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Steinlechner</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Riemannian Optimization for High-Dimensional Tensor Completion</article-title>. <source>SIAM J&#x20;Sci Comput</source> (<year>2016</year>) <volume>38</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>S461</fpage>&#x2013;<lpage>S484</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/15m1010506</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>