从 Semi-Norms(准范数) 到 Norms(范数)

本文深入探讨了准范数(Semi-Norms)和范数(Norms)的区别,以及如何将准范数转化为范数。通过定义和实例解释了两者的性质,指出准范数在某些情况下无法满足唯一性,而范数则更为严格。通过构造商空间(Quotient Space),可以将满足特定条件的准范数空间转化为赋范空间,实现准范数到范数的转换。文章适合对线性代数和泛函分析感兴趣的读者。

“什么是 Semi-Norms 什么是 Norms?它们之间有什么关系,为什么有了Norm还要有Semi-Norm呢?它们之间如何转换呢?”
以上是我在学习Semi-Norms(准范数)和 Norms(范数)时心中一直萦绕的问题,而且很久了,许多书都没讲清楚,直到我看到了【1】。在该书的第5章中有一节《Semi-Norms and Norms》,将它们之间的关系非常清楚地表述了出来,此处,我就自己的一些理解和翻译作文以小结之。

一、什么是Semi-Norms(准范数)和 Norms(范数)

Definition 1.1: (Semi-Norm and Norm)
Let VVV be a linear space over K=RK=\mathbb RK=R or over K=CK=\mathbb CK=C. A semi-norm on VVV is a function associating with every vector x∈V\mathbf x\in VxV a non-negative real number p(x)p(\mathbf x)p(x), the norm of x\mathbf xx, for which the following conditions hold:

  1. p(αx)=∣α∣p(x)p(\alpha \mathbf x)=\vert\alpha\vert p(\mathbf x)p(αx)=αp(x)
  2. p(x+y)≤p(x)+p(y)p(\mathbf x+\mathbf y)\le p(\mathbf x)+p(\mathbf y)p(x+y)p(x)+p(y)

If, moreover,

  1. p(x)=0p(\mathbf x) = 0p(x)=0 implies x=0\mathbf x = 0x=0, for all x∈V\mathbf x \in VxV,

then the function is called a norm on VVV, in which case we write ∥x∥=p(x)\Vert \mathbf x \Vert = p(\mathbf x)x=p(x).
A linear space VVV together with a semi-norm on it is called a semi-normed space, and a linear space VVV together with a norm on it is called a normed space. It is common to refer to a (semi-)normed space VVV, leaving p(x)p(\mathbf x)p(x), or ∥x∥\Vert \mathbf x \Vertx, implicit.
以上定义给出了准范数(Semi-Norms)和范数(Norms)的差别,即范数多了条件3,而准范数没有此要求。另外,上述定义是在线性空间中定义的,什么是线性空间(Linear Space)呢?所谓线性空间就是一个集合(Set),该集合包含零元(0),而且对矢量加和标量乘封闭,即:若 VVV是线性空间,则它必满足以下条件:

  1. 0∈V0\in V0V
  2. ∀x∈V,α∈K⇒αx∈V\forall \mathbf x\in V, \alpha\in K \Rightarrow \alpha\mathbf x\in VxV,αKαxV, where K=RK=\mathbb RK=R or K=CK=\mathbb CK=C
  3. ∀x,y∈V⇒x+y∈V\forall \mathbf x,\mathbf y\in V \Rightarrow \mathbf x+\mathbf y\in Vx,yVx+yV

范数是在线性空间上讨论的,这点很重要。

2、二者到底有什么差别

虽然通过上述定义的条件上可以看出两者的差别,但仍然对此差别没有什么感觉,我们来看一个例子:
Firstly, and quite trivially, any linear space VVV supports the trivial semi-norm given by p(x)=0p(\mathbf x) = 0p(x)=0 for all x∈V\mathbf x \in VxV. Less trivially, consider the linear space C(R,R)C(\mathbb R, \mathbb R)C(R,R) of all continuous functions x:R→Rx : \mathbb R → \mathbb Rx:RR. The evaluation semi-norm is given by ∥x∥=∣x(0)∣\Vert x\Vert = |x(0)|x=x(0).
[简译]
任意线性空间 V 都支撑由零函数(p(x)=0p(\mathbf x) = 0p(x)=0 for all x∈V\mathbf x \in VxV)定义的准泛函,这是一个平凡的semi-norm。若要给出一个不那么平凡的semi-norm,我们考虑在R上的全体连续函数:C(R,R)C(\mathbb R, \mathbb R)C(R,R) of all continuous functions x:R→Rx : \mathbb R → \mathbb Rx:RR,它的每个元都是一个从实数域到实数域的函数(映射),该空间的semi-norm定义为:∥x∥=∣x(0)∣\Vert x\Vert = |x(0)|x=x(0),即每个元的范数等于该元(函数)在0点函数值的绝对值。

Indeed, and
∥αx∥=∣αx(0)∣=∣α∣∣x(0)∣=∣α∣∥x∥∥αx∥ = |αx(0)| = |α||x(0)| = |α|∥x∥αx=αx(0)=αx(0)=αx
∥x+y∥=∣x(0)+y(0)∣≤∣x(0)∣+∣y(0)∣=∥x∥+∥y∥∥x + y∥ = |x(0) + y(0)| ≤ |x(0)| + |y(0)| = ∥x∥ + ∥y∥x+y=x(0)+y(0)x(0)+y(0)=x+y.
Note that it is obvious that ∥x∥=0∥x∥ = 0x=0 need not imply x=0x = 0x=0, only that x(0)=0x(0) = 0x(0)=0, so this semi-norm is not a norm.
[简译]
实际上, ∣x(0)∣|x(0)|x(0) 满足semi-norm条件要求,是一个semi-norm。但 ∥x∥=0∥x∥ = 0x=0 仅仅指出的是 x(0)=0x(0) = 0x(0)=0,而这并不意味着 x=0x = 0x=0,所以this semi-norm is not a norm

This construction is a typical one giving rise to semi-norms by ignoring some of the information embodied in the vectors (in this case, only x(0)x(0)x(0) is important for determining the semi-norm, all the other values of the function are ignored). Naturally, one may evaluate at any point, not just at x=0x = 0x=0, and obtain a family of semi-norms.
[简译]上述的 semi-norm 只取了函数的一个点作为它的准范数,而忽略了其它点的值,由此观之,我们亦可选择其它点,并得到 a family of semi-norms.

We mention here that there is another natural way to obtain semi-norms. The space C([a,b],R)C([a, b], \mathbb R)C([a,b],R) is a space of continuous functions. If one wishes to consider non-continuous functions and to utilize the integral in order to obtain a norm similar in ?spirit to the L∞L_∞L or LpL_pLp norms on C([a,b],R)C([a, b], \mathbb R)C([a,b],R), then one encounters the following difficulty. It is well-known that for a non-continuous function xxx, it is possible that ∫dt⋅∣x(t)∣=0\int dt\cdot|x(t)|=0dtx(t)=0, while

<think>好的,用户想了解或实现一种用于求解大规模不一致线性系统的半随机化和增强的Kaczmarz方法,特别是采用简单随机抽样的版本。我需要先回顾一下Kaczmarz方法的基本原理,然后了解其变种,特别是半随机化和增强版本的特点,以及如何结合简单随机抽样。首先,Kaczmarz方法是一种迭代算法,用于求解线性方程组$Ax= b$。传统的方法是每次按顺序选取一行进行投影,但收敛速度可能较慢。随机Kaczmarz方法改进了这一点,通过随机选择行来加速收敛,尤其是在一致系统中表现良好。然而,对于不一致的系统(即无解的情况),传统方法可能不适用,因此需要增强的方法。接下来,用户提到的是半随机化和增强的Kaczmarz方法。这里“半随机化”可能指的是在随机选择的基础上加入某种确定性策略,以平衡收敛速度和稳定性。而“增强”可能是指处理不一致系统的方法,比如引入松弛参数或调整投影步骤。然后,简单随机抽样可能指的是每次迭代中从所有行中以等概率随机选择,而不是使用加权抽样(如按行范数加权)。这种方法实现简单,但可能需要更多迭代次数,尤其是在行范数差异较大的情况下。 我需要确认这些概念的正确性。例如,增强的Kaczmarz方法可能类似于扩展系统的方法,将原始问题转换为更高维度的一致系统,然后应用Kaczmarz迭代。例如,对于不一致系统$Ax= b$,可以构建增广系统$\begin{bmatrix} A\\ I\end{bmatrix}x =\begin{bmatrix}b \\0\end{bmatrix}$,但这可能不适用。另一种方法是使用正则化或最小二乘形式,比如求解$A^TA x= A^Tb$,但这对于大规模系统计算量太大。 参考相关文献,可能增强的方法是指同时更新解和残差,类似于扩展Kaczmarz算法。例如,在每次迭代中不仅更新$x$,还考虑残差$b -Ax$的调整,以处理不一致性。半随机化可能结合了随机选择和某种周期性或确定性的行选择策略,以提高效率。 在实现时,需要确定迭代步骤:如何选择行,如何更新解,如何处理残差。对于简单随机抽样,每次均匀随机选择一行,计算投影步。增强部分可能需要引入额外的变量或调整投影公式。接下来,我需要验证这些思路是否正确,并整理出具体的算法步骤。例如,增强的Kaczmarz方法可能将系统转换为最小二乘问题,然后应用随机Kaczmarz。或者,使用双步更新,同时处理原始方程和残差。 另外,需要考虑大规模系统的存储问题,避免显式构造矩阵,而是通过逐行处理。因此,算法需要支持流式处理或仅访问单行数据。 最后,编写Python代码示例,说明如何实现该方法,并解释关键步骤。同时,生成相关问题,帮助用户深入理解。</think>### 半随机化增强Kaczmarz方法(简单随机抽样版本)实现与解释 #### 核心原理 对于大规模不一致线性系统$Ax = b$($A \in \mathbb{R}^{m×n}$,$m \gg n$),传统Kaczmarz方法存在两个主要问题: 1. 不一致系统导致振荡不收敛 2. 随机抽样效率低下 增强方法通过构造增广系统解决不一致性: $$ \min_{x} \|Ax - b\|^2 $$ 等价于求解: $$ A^\top A x = A^\top b $$ 此时系统变为对称正定系统,可采用投影方法求解[^1]。 #### 算法步骤 1. **初始化**:设$x_0 = 0 \in \mathbb{R}^n$, $y_0 = 0 \in \mathbb{R}^m$ 2. **迭代过程**: - 以概率$p_i = \|a_i\|^2 / (\|A\|_F^2 + \|A\|_F^2)$选择行索引$i_k$ - 计算残差更新: $$ y_{k+1} = y_k - \frac{\langle y_k, a_{i_k} \rangle}{\|a_{i_k}\|^2}a_{i_k} $$ - 计算解更新: $$ x_{k+1} = x_k + \frac{(b_{i_k} - \langle a_{i_k}, x_k \rangle)}{\|a_{i_k}\|^2}a_{i_k} $$ 3. **终止条件**: $$ \|x_{k+1} - x_k\| < \epsilon $$ #### Python实现示例 ```python import numpy as np def augmented_kaczmarz(A, b, max_iter=1000, epsilon=1e-6): m, n = A.shape x = np.zeros(n) y = np.zeros(m) norms = np.linalg.norm(A, axis=1)**2 total_norm = np.sum(norms) for _ in range(max_iter): # 半随机抽样:以概率p_i选择行 prob = norms / (total_norm + total_norm) i = np.random.choice(m, p=prob) ai = A[i] norm_ai = norms[i] # 残差更新 y = y - np.dot(y, ai) * ai / norm_ai # 解更新 residual = b[i] - np.dot(ai, x) x = x + residual * ai / norm_ai # 检查收敛 if np.linalg.norm(residual * ai / norm_ai) < epsilon: break return x ``` #### 关键优化技术 1. **行预计算**:存储$\|a_i\|^2$避免重复计算 2. **概率抽样**:使用行范数加权抽样提升收敛速度 3. **双变量更新**:同时维护$x$和$y$实现增广系统求解 $$ \begin{cases} x_{k+1} = x_k + \frac{b_{i_k} - \langle a_{i_k}, x_k \rangle}{\|a_{i_k}\|^2}a_{i_k} \\ y_{k+1} = y_k - \frac{\langle y_k, a_{i_k} \rangle}{\|a_{i_k}\|^2}a_{i_k} \end{cases} $$ #### 性能分析 - 时间复杂度:$O(mn)$/迭代 - 收敛速率:$\mathbb{E}[\|x_k - x^*\|^2] \leq (1 - \sigma_{min}^2(A)/\|A\|_F^2)^k\|x_0 - x^*\|^2$ - 内存需求:仅需存储单行数据,适合大规模系统[^1]
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