frobenius範數 第九課 矩陣的範數

2021-10-13 17:38:20 字數 2111 閱讀 8033

在所有的數學思想中,歸納和演繹永遠都是站在舞台中最光鮮的位置。我們上一節介紹了向量

的範數之後,這一節就來介紹矩陣的範數。我們可以看成向量是特殊的矩陣,矩陣是推廣了的

向量。矩陣滿足線性空間的8條性質,所以我們可以說矩陣是線性空間。同樣的我們可以驗證向量也

滿足線性空間的要求,這是矩陣和向量的共性。我們還記得在kronecker積那一節中,介紹了

vector轉化的概念。m×n維矩陣可以轉化成m×n維空間的向量。因此我們在學習過程中可以將

矩陣和向量結合起來學習。

我們不要忘記,引入範數的目的是為了進行度量。就如同我們之前介紹內積的概念一樣。所有

的向量空間都可以定義內積空間,引入內積不是目的,引入內積之後,就可以引入夾角長度等

概念。這個空間就變得可以度量了。

額外說一點的是並不是只有線性空間才有範數的定義,任意空間都可以引進範數(這樣的空間

我們稱為賦範空間),使得這個空間可以被度量。如希爾伯特空間等。

好了,下面我們進入本節的主要內容。首先介紹一下矩陣範數的定義:

通常情況下我們對於矩陣範數的定義還有加上這一條

即相容性。

我們對於矩陣的1範數,2範數和無窮範數也有類似的定義:

下面給出相容性更明確的定義:

接下來舉幾個相容性證明的例題:

接下來我們把a的k列的絕對列和用全部列的絕對列和放大。或者放大b也可以,我們這裡選擇

放大b

我們下面來證明一下矩陣2範數是自相容範數:

證明過程中用到了holder不等式取2的柯西不等式(

一點吧。

我們這裡只證明了1範數和2範數具有自相容性,對於無窮範數(矩陣中模最大的元素的值)而

言,是不具有自相容性的。我這裡就不證明了,大家可以自己隨意舉乙個例子,很容易就驗證

這一點了。

在所有矩陣範數中矩陣2範數應用最多,矩陣2範數又稱之為frobenius範數。

性質(1)過於顯然,其證明我就不說了,現在說一下(2)和(3)的證明思路:

下面談一下(3):

在之前我們先複習一下酉矩陣的概念,我們知道乙個矩陣乘以乙個矩陣的轉置等式單位陣(

標由t改為h而已。(可見正交總是如影隨形)有了這個知識基礎之後我們就可以上證明了:

關於這個性質我們有如下推論:

該推論表達了矩陣2範數的酉不變性。也就是說無論是左乘酉矩陣,還是右乘酉矩陣或者是兩

邊都乘酉矩陣。矩陣2範數都保持不變。

寫在最後的話:

本節內容我們介紹了矩陣範數,可是卻用很大的篇幅來相容性及其相關定理。是因為相容性這

個概念在數值分析領域的迭代方法裡面有很大應用。無論是高斯-賽德爾迭代還是雅可比迭代

都中常常用到了相容性這個概念。因為我寫的是矩陣理論,關於數值分析的內容我就不展開寫

了。我們在下一節運算元範數中還會繼續用到相容性這個概念。

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