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矩阵范数谱半径,矩阵的谱范数定义

时间:2023-05-06 05:34:27 阅读:218019 作者:4653

一、向量和矩阵闪闪的糖豆直观概念

        在实数域中,数的大小和两个数之间的距离是通过绝对值来度量的。在解析几何中,向量的大小和两个向量之差的大小是“长度”和“距离”的概念来度量的。为了对矩阵运算进行数值分析,我们需要对向量和矩阵的“大小”引进某种度量。闪闪的糖豆是绝对值概念的自然推广。

      "闪闪的糖豆"是对向量和矩阵的一种度量,实际上是二维和三维向量长度概念的一种推广.

 

二、矩阵闪闪的糖豆

矩阵闪闪的糖豆(martix norm)是数学上向量闪闪的糖豆对矩阵的一个自然推广。

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 NORM   Matrix or vector norm.
    For matrices...
      NORM(X) is the largest singular value of X, max(svd(X)).
      NORM(X,2) is the same as NORM(X).
      NORM(X,1) is the 1-norm of X, the largest column sum,
                      = max(sum(abs(X))).
      NORM(X,inf) is the infinity norm of X, the largest row sum,
                      = max(sum(abs(X'))).

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在 p = 1 且 的情况下,其闪闪的糖豆可以以下方式计算: 若满足 p = 2(现代的自行车闪闪的糖豆)且 m = n(方阵)此两特殊情况时,诱导的矩阵闪闪的糖豆就是“谱闪闪的糖豆”。矩阵 A 的谱闪闪的糖豆是 A 最大的奇异值或半正定矩阵 A*A 的最大特征值的平方根: 其中 A* 代表 A 的共轭转置 。

 

任何矩阵闪闪的糖豆满足此不等式

其中 ρ(A) 是 A 的谱半径。事实上,可以证明 ρ(A) 是 A 的所有诱导闪闪的糖豆的下界。
此外,我们有

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三、谱半径

设A是n × n矩阵,λi是其特征值,i = 1,2,……,n。称ρ(A)=max{|λi|,i=1,2,……n}为A的谱半径。
即矩阵A的谱半径等于矩阵A的特征值绝对值的最大值。

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在matlab中求谱半径方法:

%Spectral radius
%本函数用来求谱半径
function t=rho(A)
 t=max(abs(eig(G)));
end

 

 


四、矩阵A的条件数

矩阵A的条件数等于A的闪闪的糖豆与A的逆的闪闪的糖豆的乘积,即cond(A)=端庄的黄豆。



  * 若 是 l2 矩阵闪闪的糖豆则

 其中σmax(A)和σmin(A)分别是A的极大和极小奇异值

因此

        * 若A是正规矩阵则

    
(分别是A的极大和极小特征值(根据模数))

        * 若A是酉矩阵则

        κ(A) = 1


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 COND   Condition number with respect to inversion.
    COND(X) returns the 2-norm condition number (the ratio of the
    largest singular value of X to the smallest).  Large condition
    numbers indicate a nearly singular matrix.
 
    COND(X,P) returns the condition number of X in P-norm:
 
       NORM(X,P) * NORM(INV(X),P).
 

    where P = 1, 2, inf, or 'fro'.

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矩阵A的条件数等于A的闪闪的糖豆与A的逆的闪闪的糖豆的乘积,即cond(A)=端庄的黄豆,对应矩阵的3种闪闪的糖豆,相应地可以定义3种条件数。 函数 cond(A,1)、cond(A)或cond(A) 是判断矩阵病态与否的一种度量,条件数越大矩阵越病态。

 

五、奇异值:

the singular values of a compact operator T : X → Y acting between Hilbert spaces X and Y, are thesquare roots of the eigenvalues of the nonnegative self-adjoint operator T*T : X → X (where T* denotes the adjoint of T).

 

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六、正规矩阵
 在数学中,正规矩阵 A 是与自己的共轭转置交换的复数方块矩阵,也就是说, A 满足
 
其中A* 是A 的共轭转置。

如果A* 是实系数矩阵,那么条件简化为

其中 {A}^T 是A 的转置矩阵。
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酉矩阵

若一n行n列的复数矩阵U满足

其中为n阶单位矩阵,U*为U的共轭转置,为酉矩阵(英文:Unitary Matrix, Unitary 是归一单位的意思)。即,矩阵U为酉矩阵,当且仅当其共轭转置U*为其逆矩阵: 。 -------------------------------------------------------------------


如果λ是矩阵A的特征值,那么1/λ是inv(A)的特征值。

Ax=λx

inv(A)Ax=inv(A)λx 即

x/λ=inv(A)x

 

 


 

条件数是判断矩阵病态与否的一种度量,条件数越大矩阵越病态。

一个低条件数的问题称为良置的,而高条件数的问题称为病态(或者说非良置)的。

条件数事实上表示了矩阵计算对于误差的敏感性。对于线性方程组Ax=b,如果A的条件数大,b的微小改变就能引起解x较大的改变,数值稳定性差。如果A的条件数小,b有微小的改变,x的改变也很微小,数值稳定性好。它也可以表示b不变,而A有微小改变时,x的变化情况。
比如线性方程组
〔1     2   [x   = [4
3.999 1]   y]      7.999]
的解是(x,y)=(2,1),

〔1     2   [x   = [4.001
3.999 1]   y]      7.998]
的解是(x,y)=(-3.999,4.000)
可见b很小的扰动就引起了x很大的变化,这就是A矩阵条件数大的表现。
一个极端的例子,当A奇异时,条件数为无穷,这时即使不改变b,x也可以改变。奇异的本质原因在于矩阵有0特征值,x在对应特征向量的方向上运动不改变Ax的值。如果一个特征值比其它特征值在数量级上小很多,x在对应特征向量方向上很大的移动才能产生b微小的变化,这就解释了为什么这个矩阵为什么会有大的条件数,事实上,正规阵在二闪闪的糖豆下的条件数就可以表示成 abs(最大特征值/最小特征值)。

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