Tag Archives: 奇異值

正規矩陣的等價條件

本文的閱讀等級:高級 令 為一個 階矩陣。若 ,也就是說 和 可交換,則 稱為正規矩陣 (normal matrix)。例如,實對稱矩陣 、Hermitian 矩陣 、反共軛對稱矩陣 ,以及么正 (unitary) 矩陣 皆為正規矩陣 (見“特殊矩陣 (2):正規矩陣”)。目前已知的正規矩陣等價條件大約有 90 個[1],其中很多條件引用的概念相近,另有少許冷僻艱澀。本文挑選 25 個 (文獻[2]列舉出 70 個) 有關於特徵值、特徵向量、奇異值、跡數、範數、二次型、可交換、不變子空間 (invariant subspace)、正定、譜分解 (spectral decomposition),以及極分解 (polar decomposition) 等較具代表性的等價條件,並給出證明 (部分已刊登的證明僅提供連結)。 Advertisements

Posted in 線性代數專欄, 二次型 | Tagged , , , , , , , , | Leave a comment

每週問題 July 6, 2015

這是么正矩陣 (或稱酉矩陣,unitary matrix) 的一個界定性質。 Let be an matrix with all eigenvalues equal to 1 in absolute value. Show that is a unitary matrix if, for all , .

Posted in pow 二次型, 每週問題 | Tagged , , | Leave a comment

每週問題 April 13, 2015

方陣的特徵值積與奇異值積有何關係? Let be an matrix. Show that , where and are the eigenvalues and singular values of , respectively.

Posted in pow 二次型, 每週問題 | Tagged , , | Leave a comment

每週問題 May 26, 2014

如果一個可逆方陣的奇異值都相同,這是甚麼特殊矩陣? Let be a nonsingular real matrix. If all singular values of are equal, show that , where is a real number and is a real orthogonal matrix.

Posted in pow 二次型, 每週問題 | Tagged , | Leave a comment

每週問題 May 5, 2014

這是關於正交矩陣的主對角分塊的奇異值問題。 Let be an real orthogonal matrix partitioned as , where are . Show that and have the same singular values.

Posted in pow 二次型, 每週問題 | Tagged , | 8 Comments

每週問題 February 10, 2014

這是有關么正等價 (unitarily equivalent) 的問題。 Let and be matrices. We say that and are unitarily equivalent if there exist unitary matrices and such that . Recall that a square matrix is called unitary if . Prove the following statements. (a) and … Continue reading

Posted in pow 二次型, 每週問題 | Tagged , , , | Leave a comment

矩陣的數值秩

本文的閱讀等級:高級 1879年,德國數學家弗羅貝尼烏斯 (Ferdinand Georg Frobenius) 提出秩 (rank) 作為矩陣所攜帶訊息量的一種測度。一矩陣 的秩,記作 ,定義為最大可逆子陣的階數,即最大非零餘子式 (minor) 的行列式階數,因此也稱為行列式秩。近代線性代數已捨棄行列式定義,改用較富幾何意義的向量空間定義:秩是矩陣的行空間 (column space) 維數,同樣也是列空間 (row space) 維數,換句話說,秩是最大的線性獨立行 (列) 向量數 (見“你不能不知道的矩陣秩”)。一般基礎線性代數教科書多以高斯消去法揭示矩陣秩 (見“利用行列式計算矩陣秩”),但實際數值計算卻不採用高斯消去法,原因在於 並非 的連續函數。舉例來說,。若 ,則 。若 ,則 。這個例子顯示極微小的擾動量便足以造成矩陣秩的跳躍。由於計算機的浮點運算難免引入誤差,我們必須審慎處理矩陣秩的數值計算問題。本文介紹奇異值分解在矩陣秩的擾動分析以及數值計算的應用,原因無他,奇異值分解是現今最可靠的數值秩算法 (另一個有效的算法是計算成本較低的 QR 分解[1])。

Posted in 線性代數專欄, 數值線性代數 | Tagged , , , , , | Leave a comment

正交 Procrustes 問題

本文的閱讀等級:高級 普洛克路斯忒斯 (Procrustes) 是希臘神話中海神波塞頓 (Poseidon) 的兒子。他在雅典到埃萊夫西納 (Eleusis) 的神聖之路 (The Sacred Way) 上開設一間黑店,向路過的旅人謊稱店內設有一張適合所有人的鐵床。旅客投宿時,普洛克路斯忒斯將身高者截斷雙足,身矮者則強行拉長,使之與床的長短相同。從來沒有一個人的身長與鐵床的長度相同而免於凌遲,因為他暗地裡準備了兩張床[1]。後人於是以 Procrustean 表示「削足適履,殺頭便冠」,意思是將不同的長度、大小或屬性安裝到一個任意的標準。 正交 Procrustes 問題:給定兩個 階實矩陣 和 ,求一個 階實正交矩陣 ,,使得 具有最小值[2],其中 是 Frobenius 範數。   正交 Procrustes 問題是一個最小平方矩陣近似問題,可以這麼解讀: 是旅人, 是鐵床,正交 Procrustean 變換 (包含旋轉和鏡射) 即為施予旅人的肢體酷刑。我們的問題是求出一酷刑使旅人變形後的身長與鐵床的長度最為吻合。以下討論限定於實矩陣。

Posted in 線性代數專欄, 二次型 | Tagged , , , , , , | 8 Comments

矩陣跡數與特徵值和奇異值的關係

本文的閱讀等級:高級 令 為一個 階複矩陣。矩陣 的主對角元之和稱為跡數 (trace),記作 。 矩陣的跡數與特徵值存在一個簡單的關係 (見“特徵多項式蘊藏的訊息”): , 其中 是 的特徵值。因為種種緣故,多數的基礎線性代數課程就此打住,不再深入探究。引用電影《一代宗師》宮二小姐的話:「寧可一思進,莫在一思停。」現在我們繼續往前進。根據定義,直接計算矩陣乘法可得 本文通過計算 、 和 來探討矩陣跡數與特徵值和奇異值之間的不等關係。

Posted in 特徵分析, 線性代數專欄 | Tagged , , , , , , , , , | 8 Comments

每週問題 June 3, 2013

這是一特殊矩陣的特徵值計算問題。 Let be an matrix and let . Find the eigenvalues of .

Posted in pow 特徵分析, 每週問題 | Tagged , | Leave a comment