解超定方程Ax=b,用SVD分解为什么说在||x||=1时,最小奇异值对应的右奇异向量为最优解?

本文介绍了超定方程组的概念及其求解方法,重点讲解了使用SVD分解来解决这类问题的过程,并解释了为什么最小奇异值对应的右奇异向量能够给出最优解。

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1、什么是超定方程组?

对于方程组Ax=b,A为m x n矩阵(m>n),x为n维列向量未知数。如果A列满秩,则方程组没有精确解,此时称方程组为超定方程组。这种方程一般来说无解,但可求其最小二乘解,即所谓的最小二乘问题
了解线性方程组的类型以及求解方法可见:链接

1.1、什么是SVD分解?其性质是什么?

这一部分可以直接看这个链接,讲的非常明白。我在这把对我们便于理解下一个问题的重要结论摘取出来。

SVD分解的定义:SVD也是对矩阵进行分解,但是和特征分解不同,SVD并不要求要分解的矩阵为方阵。假设我们的矩阵A是一个m×n的矩阵,那么我们定义矩阵A的SVD为:
在这里插入图片描述
其中 U 是一个 m x m 的矩阵, ∑ \sum 是一个 m x n 的矩阵,除了主对角线上的元素以外全为0,主对角线上的每个元素都称为奇异值,V 是一个 n x n 的矩阵。

性质1:U 和 V 都是酉矩阵,即满足: UTU = I, VTV = I
性质2:U 和 V 都是正交矩阵,即满足: ||U||=||V||=1,||uiuj||=0, ||uiUi||=1
也就是三轴两两内积都为零,自己和自己内积为1

1.2、一直疑惑的问题:为何其最小奇异值对应的右奇异向量为最优解?

例如我们求解 Anx4X4x1 = 0的解,可见A矩阵的行数大于列数,所以用SVD分解的方法求其最小二乘解是一个不错的方法。

设 A = U D VT,则此时问题转化为: argmin||U D VT x||

由上面性质2可以将上式转化为: argmin||D VTx ||

接着设,VTx = Y,同时更新上式:argmin||D Y ||
即求: Dnx4Y4x1=min

在这里插入图片描述
注意由于四个奇异值是从大到小排列的,所以很容易得出,当Y=[0,0,0,1]T时,使得求解方程最小!


来到这里我们就可以求解x了
我们得到了这样一个式子:Y=VTx=[0,0,0,1]T
这里我们同样要用到性质2
在这里插入图片描述
解得 x = v4T。正是最小奇异值对应的右奇异向量
!!!

结论: Anx4X4x1 = 0的最小二乘解为最小奇异值对应的右奇异向量
在这里插入图片描述

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<think>好的,我需要帮助用户在Matlab中使用SVD方法求解线性方程组AX=b中的未知向量x。首先,我得回顾一下SVD分解的基本原理以及它在线性方程组中的应用。根据引用中的信息,SVD分解是将矩阵A分解为U、S和V三个矩阵,其中U和V是正交矩阵,S是对角矩阵。对于齐次方程AX=0的情况,最优解是V中对应最小奇异值的列向量,如引用[4]所述。但用户的问题是关于非齐次方程组AX=b,这需要不同的处理方法。 接下来,我需要确定在Matlab中如何具体实施SVD分解这个方程。根据引用[2],Matlab中的svd函数语法是[U,S,V] = svd(A),但可能需要调整维度,特别是当A不是方阵。对于非齐次方程组,法可能与齐次情况不同。需要查阅相关资料或引用中的方法,看看如何用SVD求解非齐次问题。 根据引用[3],对于超定方程组(即方程数多于未知数的情况),可以使用SVD分解来求最小二乘。具体步骤可能是对A进行SVD分解,然后计算伪逆矩阵,再利用伪逆乘以b得到x。例如,x = V * inv(S) * U' * b。不过需要注意矩阵的维度是否正确,以及如何处理奇异值中的零或接近零的值,可能需要截断小奇异值来避免数值不稳定。 用户可能需要具体的代码示例,所以在回答中应该包括如何编写Matlab代码来实现这一过程。需要确保代码正确使用svd函数,正确处理分解后的矩阵,并计算x。同,可能需要释每个步骤的作用,比如为什么要求伪逆,以及如何处理可能的数值问题。 另外,需要比较SVD方法与其他方法(如高斯消元法、QR分解)的优缺点,如引用[2]提到的SVD更可靠但计算间更长。这可能对用户选择方法有帮助。 最后,要检查是否有引用需要标注,例如引用[2]和引用[3]中关于SVD法的明,确保在回答中正确引用这些内容。同,生成的相关问题可能需要涉及SVD的优缺点、其他分解方法比较,或者如何处理病态矩阵等。</think>在Matlab中使用奇异值分解SVD求解线性方程组 $AX=b$ 的步骤如下: ### 步骤1:理SVD分解原理 矩阵 $A$ 的SVD分解形式为: $$A = U S V^T$$ 其中: - $U$ 和 $V$ 是正交矩阵 - $S$ 是对角矩阵,对角线元素为奇异值 $\sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \dots \geq \sigma_r > 0$($r$ 为矩阵 $A$ 的秩) ### 步骤2:计算伪逆矩阵 对于非齐次方程组 $AX=b$,其最小二乘可通过伪逆矩阵 $A^+$ 计算: $$x = A^+ b = V S^+ U^T b$$ 其中 $S^+$ 是 $S$ 的伪逆矩阵,将非零奇异值取倒数后转置。 ### 步骤3:Matlab实现代码 ```matlab % 输入矩阵A和向量b A = [1 2; 3 4; 5 6]; b = [3; 7; 11]; % 执行SVD分解 [U, S, V] = svd(A); % 计算伪逆矩阵的奇异值部分 threshold = max(size(A)) * eps(norm(S)); % 设定奇异值截断阈值 s = diag(S); s_inv = zeros(size(S')); for i = 1:length(s) if s(i) > threshold s_inv(i,i) = 1/s(i); else s_inv(i,i) = 0; % 截断小奇异值避免数值不稳定 end end % 计算向量x x = V * s_inv * U' * b; % 验证 disp(norm(A*x - b)) % 显示残差范数 ``` ### 关键1. **截断阈值**:通过`eps(norm(S))`自动确定截断阈值,可有效处理病态矩阵问题[^2] 2. **正交性验证**:$U$ 和 $V$ 的正交性保证了数值稳定性($\|U^T U - I\| < 10^{-15}$) 3. **适用范围**: - 当 $A$ 是病态矩阵SVD分解法比常规方法(如高斯消元法)更稳定[^1] - 适用于超定方程组(方程数 > 未知数)和欠定方程组(方程数 < 未知数) ### 性能比较 | 方法 | 计算复杂度 | 数值稳定性 | 适用场景 | |------------|------------|------------|---------------------| | 高斯消元法 | $O(n^3)$ | 较差 | 稠密矩阵且条件数小 | | QR分解 | $O(2n^3)$ | 较好 | 超定方程组 | | SVD分解 | $O(10n^3)$ | 最优 | 病态矩阵/需要鲁棒 | [^2] 相关问题
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