{ "cells": [ { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "# 7 奇异值分解, 左右逆和伪逆 " ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": { "collapsed": true }, "source": [ "## 7.1 奇异值分解\n", "### 7.1.1 定义 \n", "对于任意一矩阵$A$,都可以分解成$A=U\\Sigma V^T$,其中$U_{m \\times m},\\Sigma_{m \\times n},V_{n \\times n}$分别为正交矩阵,对角矩阵和正交矩阵。 \n", "### 7.1.2 证明 \n", "在$A$的列空间中找到一组正交基$v_1,v_2,\\ldots ,v_r$,在矩阵$A$的作用下转换为$A$的行空间的一组正交基$u_1,u_2,\\ldots,u_r$,用矩阵表达为$$AV=U\\Sigma \\Rightarrow A=U\\Sigma V^T$$ \n", "### 7.1.3 求解 \n", "+ 求解$V$ \n", "\n", "$A^TA=(V\\Sigma^TU^T)(U\\Sigma V^T)=V\\Sigma^T\\Sigma V^T$ ,通过矩阵的对角化将$V$和$\\Sigma^T\\Sigma=\\Sigma^2$ 元素求解出来,其中$V$为单位话的特征向量组成的矩阵,$\\Sigma^2$为特征值的平方。 \n", "+ 求解$U$ \n", "\n", "$AA^T=(U\\Sigma V^T)(V\\Sigma^TU)=U \\Sigma^2 U^T$,计算过程如上" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "### 7.1.4 实例 \n", "$A=\\begin{vmatrix}4 & 4 \\\\ -3 &3 \\end{vmatrix}$ \n", "+ $A^TA$ \n", "$A^TA=\\begin{vmatrix}4 & -3 \\\\ 4 &3 \\end{vmatrix}\\begin{vmatrix}4 & 4 \\\\ -3 &3 \\end{vmatrix}=\\begin{vmatrix}25 & 7 \\\\ 7 &25 \\end{vmatrix}$,特征值和标准化特征向量分别为:$\\sigma_1 = 32, v_1=\\begin{bmatrix}\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\\\ \\frac{1}{\\sqrt{2}} \\end{bmatrix};\\sigma_2 = 18, v_2=\\begin{bmatrix}\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\\\ -\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\end{bmatrix}$ \n", "+ $AA^T$ \n", "$AA^T=\\begin{vmatrix}4 & 4 \\\\ -3 &3 \\end{vmatrix}\\begin{vmatrix}4 & -3 \\\\ 4 &3 \\end{vmatrix}=\\begin{vmatrix}32 & 0 \\\\ 0 &18 \\end{vmatrix}$, 特征值和标准化特征向量分别为$\\sigma_1 = 32, u_1=\\begin{bmatrix}1 \\\\ 0 \\end{bmatrix};\\sigma_2 = 18, u_2=\\begin{bmatrix}0 \\\\ 1 \\end{bmatrix}$\n", "+ 选择符号 \n", "在$\\Sigma ^2$开根号处理过程中,由于会出现正负两种情况,所以具体一个符号取值需要根据$A=U\\Sigma V^T$实际情况来判定。当$\\lambda_1=\\sqrt{32},v_1=\\begin{bmatrix}\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\\\ \\frac{1}{\\sqrt{2}} \\end{bmatrix}$时,$u_1=\\begin{bmatrix}1 \\\\ 0 \\end{bmatrix}$,当$\\lambda_2=\\sqrt{8},v_2=\\begin{bmatrix}\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\\\ -\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\end{bmatrix}, u_2=\\begin{bmatrix}0 \\\\ \\underline{-1} \\end{bmatrix}$ \n", "+ 综合 \n", "$U=\\begin{bmatrix} 1 & 0 \\\\ 0 & -1 \\end{bmatrix},\\Sigma=\\begin{bmatrix} \\sqrt{32} & 0 \\\\ 0 & \\sqrt{8} \\end{bmatrix},V=\\begin{bmatrix} \\frac{1}{\\sqrt{2}} &\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\\\ \\frac{1}{\\sqrt{2}} & -\\frac{1}{\\sqrt{2}} \\end{bmatrix}$" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "## 7.2 左右逆" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "### 7.2.1 左逆\n", "对于矩阵$A_{m \\times n}$,其秩$Rank(A)=n \\lt m$,矩阵$rank(A^TA)=n$,因此$(A^TA)^{-1}$存在,所以$$(A^TA)^{-1}A^TA=I$$,则$(A^TA)^{-1}A^T$为矩阵$A$的左逆" ] }, { "cell_type": "markdown", "metadata": {}, "source": [ "### 7.2.2 右逆 \n", "对于矩阵$A_{m\\times n}$,其秩$Rank(A)=m