Matritsa normasi - Matrix norm

Yilda matematika, a matritsa normasi a vektor normasi elementlari (vektorlari) bo'lgan vektor makonida matritsalar (berilgan o'lchamlar bo'yicha).

Ta'rif

Berilgan maydon ikkalasining ham haqiqiy yoki murakkab sonlar, va vektor maydoni o'lchamdagi barcha matritsalardan (bilan qatorlar va ustunlar) maydonidagi yozuvlar bilan , matritsa normasi a norma vektor makonida (foydalanish bilan belgilangan individual normalar bilan ikkita vertikal chiziqlar kabi [1]). Shunday qilib, matritsa normasi a funktsiya bu quyidagi xususiyatlarga javob berishi kerak:[2][3]

Barcha skalar uchun va barcha matritsalar uchun ,

  • (bo'lish mutlaqo bir hil)
  • (bo'lish pastki qo'shimchalar yoki qoniqtiradigan uchburchak tengsizligi)
  • (bo'lish ijobiy baholangan)
  • (bo'lish aniq)

Bundan tashqari, taqdirda kvadrat matritsalar (bilan matritsalar m = n), ba'zi (lekin barchasi ham) matritsa me'yorlari quyidagi shartni qondiradi, bu matritsalar faqat vektorlardan ko'proq ekanligi bilan bog'liq:[2]

  • barcha matritsalar uchun va yilda

Ushbu qo'shimcha xususiyatni qondiradigan matritsa normasi a deb ataladi submultiplikativ norma[4][3] (ba'zi kitoblarda terminologiya matritsa normasi submultiplicative bo'lgan me'yorlar uchungina qo'llaniladi[5]). Hammasi to'plami matritsalar, bunday submultiplikativ me'yor bilan birgalikda, a ga misoldir Banach algebra.

Submultiplikativlikning ta'rifi ba'zida induktsiyadagi kabi kvadrat bo'lmagan matritsalarga ham uzatiladi. p-norm, qaerda va buni ushlab turadi . Bu yerda, va dan kelib chiqqan normalar va navbati bilan, qaerda p,q ≥ 1.

Quyida ko'rib chiqiladigan matritsa me'yorlarining uch turi mavjud:

  • Matritsa me'yorlari vektor normalari bilan indüklenen
  • Kirish matritsasi normalari va
  • Schatten normalari.

Vektorli normalar tomonidan induktsiya qilingan matritsa normalari

Aytaylik vektor normasi kuni berilgan. Har qanday matritsa A dan chiziqli operatorni chaqiradi ga standart bazaga nisbatan, va biri mos keladiganni belgilaydi induktsiya qilingan norma yoki operator normasi kosmosda hammasidan matritsalar quyidagicha:

Xususan, agar p- vektorlar uchun norm (1 ≤ p ≤ ∞) ikkala bo'shliq uchun ishlatiladi va , keyin tegishli induksiya operator normasi bu:[3]

Ushbu induktsiya me'yorlari quyidagilardan farq qiladi "kirish usuli bilan" p-norms va Shatten p-norms odatda quyida keltirilgan matritsalar uchun

Eslatma: Yuqoridagi tavsif quyidagilarga tegishli induktsiya qilingan operator normasi "ketish joyida" xuddi shu vektor normasidan foydalanilganda va "kelish maydoni" operatorning . Bu zaruriy cheklov emas. Odatda, norma berilgan kuni va norma kuni , matritsa normasini belgilash mumkin ushbu me'yorlar asosida:
Matritsa normasi ba'zan bo'ysunuvchi norma deb ham ataladi. Subordinatsion me'yorlar ularni keltirib chiqaradigan me'yorlarga mos keladi

Har qanday induktsiya qilingan operator normasi submultiplikativ matritsa normasidir: bu quyidagidan kelib chiqadi

va

Bundan tashqari, har qanday induktsiya qilingan me'yor tengsizlikni qondiradi

(1)

qayerda r (A) bo'ladi spektral radius ning A. Uchun nosimmetrik yoki hermitchi A, bizda tenglik mavjud (1) 2-norma uchun, chunki bu holda 2-norma bu ning spektral radiusi A. Ixtiyoriy matritsa uchun bizda biron bir me'yor uchun tenglik bo'lmasligi mumkin; qarshi misol bo'ladi

yo'qolib borayotgan spektral radiusga ega. Har qanday holatda, kvadrat matritsalar uchun bizda spektral radius formulasi:

Maxsus holatlar

Maxsus holatlarda induktsiya qilingan matritsa normalarini hisoblash yoki taxmin qilish mumkin

bu shunchaki matritsaning maksimal ustun ustun yig'indisi;

bu shunchaki matritsaning maksimal maksimal satr yig'indisi;

qayerda matritsaning eng katta birlik qiymatini ifodalaydi . Ish uchun muhim tengsizlik mavjud :

qayerda bo'ladi Frobenius normasi. Agar matritsa bo'lsa, tenglik amal qiladi bir darajali matritsa yoki nol matritsa. Ushbu tengsizlikni matritsaning izi uning o'ziga xos qiymatlari yig'indisiga teng bo'lishidan kelib chiqishi mumkin.

Qachon uchun ekvivalent ta'rifimiz bor kabi . Dan foydalanib, yuqoridagi ta'riflarga teng ekanligini ko'rsatish mumkin Koshi-Shvarts tengsizligi.

Masalan, uchun

bizda shunday

Maxsus holatda (the Evklid normasi yoki -vektorlar uchun norm), induksiya qilingan matritsa normasi bu spektral norma. Matritsaning spektral normasi eng kattasi birlik qiymati ning (ya'ni eng kattasining kvadrat ildizi o'ziga xos qiymat matritsaning , qayerda belgisini bildiradi konjugat transpozitsiyasi ning ):[6]

Ushbu holatda, beri va shunga o'xshash tomonidan yagona qiymat dekompozitsiyasi (SVD).

"Kirish" matritsasi normalari

Ushbu me'yorlar an matritsa kattaligi vektori sifatida va tanish bo'lgan vektor me'yorlaridan birini qo'llang. Masalan, yordamida p- vektorlar uchun norma, p ≥ 1, biz olamiz:

Bu induktsiyadan boshqacha me'yor p-norm (yuqoriga qarang) va Shatten p-norm (pastga qarang), lekin yozuv bir xil.

Maxsus ish p = 2 Frobenius normasi va p = ∞ maksimal normani beradi.

L2,1 va Lp, q normalar

Ruxsat bering matritsaning ustunlari bo'ling . The norma[7] matritsa ustunlari evklid normalarining yig'indisi:

The xato funktsiyasi sifatida norma yanada kuchliroqdir, chunki har bir ma'lumot nuqtasi (ustun) uchun kvadrat to'rtburchak emas. Bu ishlatiladi ma'lumotlarni ishonchli tahlil qilish va siyrak kodlash.

Uchun p, q ≥ 1, normani umumlashtirilishi mumkin norma quyidagicha:

Frobenius normasi

Qachon p = q = 2 uchun norma, deyiladi Frobenius normasi yoki Hilbert-Shmidt normasigarchi oxirgi atama operatorlar kontekstida tez-tez ishlatilsa ham (ehtimol cheksiz o'lchovli) Hilbert maydoni. Ushbu me'yorni turli yo'llar bilan aniqlash mumkin:

qayerda ular birlik qiymatlari ning . Eslatib o'tamiz izlash funktsiyasi kvadrat matritsaning diagonal yozuvlari yig'indisini qaytaradi.

Frobenius normasi Evklid normasining kengayishi va keladi Frobenius ichki mahsuloti barcha matritsalar maydonida.

Frobenius normasi submultiplikativ hisoblanadi va bu uchun juda foydali raqamli chiziqli algebra. Frobenius normasining submultiplikativligi yordamida isbotlanishi mumkin Koshi-Shvarts tengsizligi.

Frobenius me'yorini induktsiya qilingan me'yorlarga qaraganda tez-tez hisoblash osonroq va o'zgarmas bo'lish foydali xususiyatiga ega aylanishlar (va unitar umuman operatsiyalar). Anavi, har qanday unitar matritsa uchun . Ushbu xususiyat izning tsiklik xususiyatidan kelib chiqadi ():

va shunga o'xshash:

qaerda biz unitar tabiatdan foydalanganmiz (anavi, ).

Bu ham qoniqtiradi

va

qayerda bo'ladi Frobenius ichki mahsuloti.

Maksimal norma

The maksimal norma elementar normadir p = q = ∞:

Bu norma emas submultiplikativ.

E'tibor bering, ba'zi adabiyotlarda (masalan Muloqotning murakkabligi ), shuningdek, max-normaning muqobil ta'rifi -norm, faktorizatsiya normasiga ishora qiladi:

Schatten normalari

Shatten pqo'llash paytida normalar paydo bo'ladi p- ning vektoriga nisbatan norma birlik qiymatlari matritsaning[3] Agar $ ning birlik qiymatlari bo'lsa matritsa bilan belgilanadi σmen, keyin Shatten p-norm tomonidan belgilanadi

Ushbu me'yorlar yana yozuvlarni induktsiya qilingan va kiritiladigan usul bilan taqsimlaydi p-normlar, lekin ular har xil.

Shattenning barcha me'yorlari submultiplikativdir. Ular, shuningdek, birma-bir o'zgarmasdir, bu shuni anglatadiki barcha matritsalar uchun va barchasi unitar matritsalar va .

Eng tanish holatlar p = 1, 2, p. Ish p = 2 oldin kiritilgan Frobenius normasini beradi. Ish p = Spektral normani beradi, bu 2-norma vektori tomonidan induktor qilingan operator normasi (yuqoriga qarang). Nihoyat, p = 1 hosil qiladi yadro normasi (shuningdek,. nomi bilan ham tanilgan iz normasiyoki Ky Fan 'n'-norma[8]) sifatida belgilanadi

qayerda ijobiy yarim yarim matritsani bildiradi shu kabi . Aniqrog'i, beri a ijobiy yarim yarim matritsa, uning kvadrat ildiz aniq belgilangan. Yadro normasi a qavariq konvert daraja funktsiyasining , shuning uchun u ko'pincha ishlatiladi matematik optimallashtirish past darajadagi matritsalarni qidirish.

Muvofiq me'yorlar

Matritsa normasi kuni deyiladi izchil vektor normasi bilan kuni va vektor normasi kuni , agar:

Barcha uchun . Barcha induktsiya qilingan me'yorlar ta'rifi bo'yicha izchil.

Muvofiq me'yorlar

Matritsa normasi kuni deyiladi mos vektor normasi bilan kuni , agar:

Barcha uchun . Induktsiya qilingan normalar ta'rifi bo'yicha induktor vektor normasiga mos keladi.

Normalarning ekvivalentligi

Har qanday ikkita matritsa normasi uchun va , bizda shunday:

ba'zi ijobiy raqamlar uchun r va s, barcha matritsalar uchun . Boshqacha qilib aytganda, barcha normalar bor teng; ular xuddi shu narsani keltirib chiqaradi topologiya kuni . Bu to'g'ri, chunki vektor maydoni cheklangan o'lchov .

Bundan tashqari, har bir vektor normasi uchun kuni , noyob ijobiy haqiqiy raqam mavjud shu kabi har bir kishi uchun submultiplikativ matritsa normasi .

Submultiplikativ matritsa normasi deb aytilgan minimal, agar boshqa submultiplikativ matritsa normasi bo'lmasa qoniqarli .

Norma ekvivalentligiga misollar

Ruxsat bering yana bir bor vektor tomonidan induktsiya qilingan normaga murojaat qiling p-norm (yuqoridagi kabi induktsiya qilingan normada).

Matritsa uchun ning daraja , quyidagi tengsizliklar mavjud:[9][10]

Matritsa me'yorlari orasidagi yana bir foydali tengsizlik

bu alohida holat Xolderning tengsizligi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ "Algebra belgilarining to'liq ro'yxati". Matematik kassa. 2020-03-25. Olingan 2020-08-24.
  2. ^ a b Vayshteyn, Erik V. "Matritsa normasi". mathworld.wolfram.com. Olingan 2020-08-24.
  3. ^ a b v d "Matritsa normalari". fourier.eng.hmc.edu. Olingan 2020-08-24.
  4. ^ Malek-Shahmirzadi, Massud (1983). "Matritsa normalarining ayrim sinflarining tavsifi". Chiziqli va ko'p chiziqli algebra. 13 (2): 97–99. doi:10.1080/03081088308817508. ISSN  0308-1087.
  5. ^ Xorn, Rojer A. (2012). Matritsa tahlili. Jonson, Charlz R. (2-nashr). Kembrij: Kembrij universiteti matbuoti. 340-341 betlar. ISBN  978-1-139-77600-4. OCLC  817236655.
  6. ^ Karl D. Meyer, Matritsa tahlili va amaliy chiziqli algebra, §5.2, s.281, Sanoat va amaliy matematikalar jamiyati, 2000 yil iyun.
  7. ^ Ding, Kris; Chjou, Ding; U, Xiaofeng; Zha, Hongyuan (2006 yil iyun). "R1-PCA: rotatsion invariant L1-norma subspace-ning mustahkam omillanishining asosiy komponentlarini tahlil qilish". Mashinasozlik bo'yicha 23-xalqaro konferentsiya materiallari. ICML '06. Pitsburg, Pensilvaniya, AQSh: ACM. 281-288 betlar. doi:10.1145/1143844.1143880. ISBN  1-59593-383-2.
  8. ^ Fan, Ky. (1951). "To'liq uzluksiz operatorlarning o'ziga xos qiymatlari uchun maksimal xususiyatlar va tengsizliklar". Amerika Qo'shma Shtatlari Milliy Fanlar Akademiyasi materiallari. 37 (11): 760–766. Bibcode:1951 yil PNAS ... 37..760F. doi:10.1073 / pnas.37.11.760. PMC  1063464. PMID  16578416.
  9. ^ Golub, Gen; Charlz F. Van qarz (1996). Matritsali hisoblashlar - uchinchi nashr. Baltimor: Jons Xopkins universiteti matbuoti, 56-57. ISBN  0-8018-5413-X.
  10. ^ Rojer Xorn va Charlz Jonson. Matritsa tahlili, 5-bob, Kembrij universiteti matbuoti, 1985 y. ISBN  0-521-38632-2.

Bibliografiya

  • Jeyms V. Demmel, Amaliy raqamli chiziqli algebra, 1.7-bo'lim, SIAM tomonidan nashr etilgan, 1997 y.
  • Karl D. Meyer, Matritsa tahlili va amaliy chiziqli algebra, SIAM tomonidan nashr etilgan, 2000 y. [1]
  • Jon Uotroz, Kvant ma'lumotlari nazariyasi, 2.3 Operatorlarning me'yorlari, ma'ruza matnlari, Vaterloo universiteti, 2011 y.
  • Kendall Atkinson, Raqamli tahlilga kirish, John Wiley & Sons tomonidan nashr etilgan, Inc 1989