向量范数

  1. p4

  2. 对于实向量xx,下面给出几种常见的范数:

    • 1-范数:

      ∣∣x∣∣1=∑i=1n∣xi∣||x||_1 = \sum _{i = 1}^n |x_i|

    • 2-范数:

      ∣∣x∣∣2=(∑i=1n∣xi∣2)12=(xTx)12||x||_2 = (\sum _{i = 1}^n |x_i|^2)^{\frac{1}{2}} = (x^Tx)^{\frac{1}{2}}

    • ∞\infty-范数:

      ∣∣x∣∣∞=max1≤i≤n∣xi∣||x||_{\infty} = max_{1\le i \le n} |x_i|

  3. 由此我们可以定义p-范数为:

    • ∣∣x∣∣2=(∑i=1n∣xi∣p)1p,p≥1||x||_2 = (\sum _{i = 1}^n |x_i|^p)^{\frac{1}{p}},p\ge1
  4. 向量范数的等价性

    • 设∣∣x∣∣s||x||_s 和 ∣∣x∣∣t||x||_t为RnR^n上任意两种向量范数,则存在常量c1,c2>0c_1,c_2 > 0 ,使得对一切x∈Rnx \in R^n有:

    c1∣∣x∣∣s≤∣∣x∣∣t≤c2∣∣x∣∣sc_1||x||_s \le ||x||_t \le c_2 ||x||_s

矩阵范数

  1. p5

  2. 在以上基础上,实际使用的矩阵范数还满足以下相容性条件:

    • ∀A∈Rn×n,x∈Rn,∣∣Ax∣∣≤∣∣A∣∣ ∣∣x∣∣\forall A\in R^{n\times n},x\in R^n ,||Ax|| \le ||A|| \space||x||
  3. 定义矩阵的算子范数为,这衡量了线性变换中对xx伸缩的最大倍数。

    • ∣∣A∣∣v=max⁡x≠0∣∣Ax∣∣v∣∣x∣∣v||A||_v = \max\limits_{x\ne 0} \frac {||Ax||_v}{||x||_v}

    • 我们需要在证明算子范数满足矩阵范数的条件(自己验证)

  4. 矩阵AA的算子范数为:

    • 1-范数:

      • ∣∣A∣∣1=max⁡1≤j≤n∑i=1n∣aij∣||A||_1 = \max _{1\le j\le n}\sum_{i=1}^n |a_{ij}|
    • 2-范数:

      • ∣∣A∣∣2=λmax⁡(ATA),表示ATA的最大特征值||A||_2 = \sqrt{\lambda_{\max}(A^TA)}, \text{表示} A^TA\text{的最大特征值}
    • ∞\infty-范数:

      • ∣∣A∣∣∞=max1≤i≤n∑j=1n∣aij∣||A||_{\infty} = max_{1\le i \le n} \sum_{j = 1}^n|a_{ij}|

矩阵条件数

矩阵条件数是衡量非奇异矩阵的敏感程度,也就是方程Ax=bAx = b中ΔA\Delta A、Δb\Delta b的变化对矩阵的影响程度;我们不加证明的说明一下几个定理。

  1. 条件数定义:

    • cond=∣∣Δx∣∣/∣∣x∣∣∣∣Δb∣∣/∣∣b∣∣cond = \frac{||\Delta x||/||x||}{||\Delta b||/||b||}
  2. 设AA为非奇异矩阵,则矩阵的条件数为:

    • cond(A)v=∣∣A∣∣v∣∣A−1∣∣=max⁡x≠0∣∣Ax∣∣∣∣x∣∣/min⁡x≠0∣∣Ax∣∣∣∣x∣∣cond (A)_v = ||A||_v ||A^{-1}||=\max\limits _{x \ne 0} \frac{||Ax||}{||x||} / \min\limits _{x \ne 0} \frac {||Ax||}{||x||}
  3. 根据条件数的定义,可以推导其和矩阵条件数的关系(考虑方程右边扰动):

    • ∵A(x+Δx)=b+Δb\because A(x +\Delta x) = b + \Delta b

    • AΔx=Δb⇒Δx=A−1Δb⇒∣∣Δx∣∣≤∣∣A−1∣∣ ∣∣Δb∣∣A \Delta x = \Delta b \Rightarrow \Delta x = A^{-1} \Delta b \Rightarrow ||\Delta x || \le ||A^{-1} ||\space ||\Delta b||

    • Ax=b⇒∣∣b∣∣≤∣∣A∣∣ ∣∣x∣∣Ax = b \Rightarrow ||b || \le ||A|| \space ||x||

    • ∴cond=∣∣Δx∣∣/∣∣x∣∣∣∣Δb∣∣/∣∣b∣∣=∣∣Δx∣∣ ∣∣b∣∣∣∣Δb∣∣ ∣∣x∣∣≤∣∣A−1∣∣ ∣∣Δb∣∣ ∣∣A∣∣ ∣∣x∣∣∣∣Δb∣∣ ∣∣x∣∣=∣∣A∣∣ ∣∣A−1∣∣\therefore cond = \frac{||\Delta x||/||x||}{||\Delta b||/||b||} = \frac{||\Delta x||\space ||b||}{||\Delta b||\space||x||}\le \frac{||A^{-1}|| \space ||\Delta b|| \space ||A|| \space|| x||}{||\Delta b|| \space ||x||} = ||A|| \space ||A^{-1}||

  4. 矩阵的条件数为误差传递的上限,可衡量矩阵的敏感性

  5. 奇异矩阵的条件数为无穷大,因此cond(A)cond(A)越大,越接近于奇异矩阵。

  6. p6

  7. 直观的来看,矩阵的条件数反映了矩阵的奇异程度,相对于行列式只能反映是否为奇异矩阵,是一个更好的度量方式。

矩阵的谱半径

  1. 设实矩阵A∈Rn×nA\in R^{n\times n}的特征值为λi\lambda_i,称ρ\rho为AA的谱半径:

    • ρ(A)=max⁡1≤i≤n∣λi∣\rho (A) = \max\limits_{1\le i\le n}|\lambda_i|

    • 注意,这里的谱半径是指模长(二范数),对于实数来说就是绝对值,对于复数来说是模长。

  2. 谱半径的大小不超过任何一种算子范数。

  3. 圆盘定理

    • ∣λ−akk∣≤∑j=1,j≠kn∣akj∣|\lambda - a_{kk} |\le \sum\limits_{j =1,j \ne k } ^n |a_{kj}|

    • 直观的来看,在平面中,AA的每个特征值都属于AA的格什戈林圆盘中

  4. 可以用圆盘定理估计矩阵的特征值范围。

幂法

  1. 在矩阵AA的特征值中,模最大的特征值称为主特征值,也叫“第一特征值”。对应的特征向量为主特征向量。

  2. 主特征值可能不唯一(正数负数复数)。

  3. 这里注意谱半径和主特征值的区别

    • 谱半径是针对实矩阵而言,计算出来的是特征值的模长(一定大于零);

    • 主特征值是模长最大的那个特征值(对于复数来说不一样)

  4. 如果矩阵有唯一主特征值,则能通过幂法计算出主特征值和特征向量。幂法的计算过程是,首先任取一非零向量v0∈Rnv_0 \in R^n,再迭代计算

    • vk=Avk−1v_k = Av_{k-1}

    • 根据vkv_k求出主特征值和特征向量。

  5. lim⁡k→∞vkλ1k=x1\lim\limits_{k \rightarrow \infty } \frac {v_k}{\lambda_1 ^k} = x_1

  6. lim⁡k→∞(vk+1)j(vk)j=λ1\lim\limits_{k \rightarrow \infty } \frac {(v_{k+1})_ j}{(v_{k})_j } = \lambda_1

  7. 如果模最大的特征值是重根且非亏损(代数重数等于几何重数)的话幂法适用,但是一旦出现亏损就容易出问题。

  8. 幻方矩阵的最大特征值为行和,即为n(n2+1)2\frac {n(n^2+1)}{2}。

results matching ""

    No results matching ""