线性代数精华——矩阵的特征值与特征向量

机器学习基石:矩阵特征值与特征向量解析
本文深入探讨了线性代数中矩阵的特征值和特征向量,阐述其几何意义和求解过程。通过案例分析与Python实现,揭示了它们在机器学习中的关键作用。了解这些概念对于算法工程师至关重要。

今天和大家聊一个非常重要,在机器学习领域也广泛使用的一个概念——矩阵的特征值与特征向量。

我们先来看它的定义,定义本身很简单,假设我们有一个n阶的矩阵A以及一个实数λ\lambdaλ,使得我们可以找到一个非零向量x,满足:

Ax=λxAx=\lambda xAx=λx

如果能够找到的话,我们就称λ\lambdaλ是矩阵A的特征值,非零向量x是矩阵A的特征向量。


几何意义


光从上面的式子其实我们很难看出来什么,但是我们可以结合矩阵变换的几何意义,就会明朗很多。

我们都知道,对于一个n维的向量x来说,如果我们给他乘上一个n阶的方阵A,得到Ax。从几何角度来说,是对向量x进行了一个线性变换。变换之后得到的向量y和原向量x的方向和长度都发生了改变。

但是,对于一个特定的矩阵A来说,总存在一些特定方向的向量x,使得Ax和x的方向没有发生变化,只是长度发生了变化。我们令这个长度发生的变化当做是系数λ\lambdaλ,那么对于这样的向量就称为是矩阵A的特征向量,λ\lambdaλ就是这个特征向量对应的特殊值。


求解过程


我们对原式来进行一个很简单的变形:

(A−λI)x=0(A-\lambda I)x = 0(AλI)x=0

这里的I表示单位矩阵,如果把它展开的话,可以得到一个n元的齐次线性方程组。这个我们已经很熟悉了,这个齐次线性方程组要存在非零解,那么需要系数行列式

∣A−λI∣|A-\lambda I|AλI

不为零,也就是系数矩阵的秩小于n。

我们将这个行列式展开:

∣a11−λa12⋯a1na21a22−λ⋯a2n⋮⋮⋮an1an2⋯anm−λ∣ \left| \begin{matrix} a_{11}-\lambda & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} - \lambda & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nm} - \lambda \end{matrix} \right| a11λa21an1a12a22λan2a1na2nanmλ

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