向量 模(module) 范数(norm)

本文深入探讨了向量的模与范数的概念,详细解释了它们在几何和线性代数中的应用,包括欧式、曼哈顿和最大值范数等不同类型的ℓp范数,并提供了具体的计算公式。

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1,向量的模和范数的计算结果都是一个实数,这个数字对应着单个向量的长度或者两个向量之间的距离。

2,在空间几何中(经常是2或3维空间),常用模来表示向量的长度或两个向量间的距离,符号为||x⃗\vec{x}x||。

例子:
在二维空间中有两个向量:x⃗=(1,2),y⃗=(2,3)\vec{x}=(1,2),\vec{y}=(2,3)x=(1,2)y=(2,3)
x⃗的长度为∣∣x⃗∣∣=12+22\vec{x}的长度为||\vec{x}||=\sqrt{1^2+2^2}xx=12+22
x⃗和y⃗之间的距离为∣∣x⃗−y⃗∣∣=(1−2)2+(2−3)2\vec{x}和\vec{y}之间的距离为||\vec{x}-\vec{y}||=\sqrt{(1-2)^2+(2-3)^2}xyxy=(12)2+(23)2

3,在线性代数中,常用范数这个概念。对于1维空间的实数集,标准的范数就是绝对值,将绝对值的概念推广到多维空间就叫做范数。

4,范数的定义:

A norm is any function g that maps vectors to real numbers that satises the following conditions:
1, Non-negativity: for all x⃗∈RD,g(x⃗)>=0;\vec{x} \in R^D, g(\vec{x})>=0;xRD,g(x)>=0;
2, Strictly positive: for all x⃗,g(x⃗)=0\vec{x}, g(\vec{x})=0x,g(x)=0 implies that x⃗=0\vec{x}=0x=0;
3, Homogeneity: for all x⃗\vec{x}x and a, g(ax⃗)=∣a∣g(x⃗),g(a\vec{x})=|a|g(\vec{x}),g(ax)=ag(x), where |a| is the absolute value;
4, Triangle inequality: for all x⃗,y⃗,g(x⃗,y⃗)&lt;=g(x⃗)+g(y⃗)\vec{x}, \vec{y}, g(\vec{x}, \vec{y})&lt;=g(\vec{x})+g(\vec{y})x,y,g(x,y)<=g(x)+g(y).

5,ell-p norm (ℓp\ell_pp)

这是一类特殊的范数家族,读作“little ell p 范数”。
定义如下:
Let ppp be in the range [0,∞][0, \infin][0,]; then the ℓp\ell_pp norm of x, denoted by ∣∣x⃗∣∣p||\vec{x}||_pxp, is dened by:

∣∣x⃗∣∣p=(∑d=1D∣xd∣p)1p||\vec{x}||_p=(\sum_{d=1}^{D}|x_{d}|^p)^\frac{1}{p}xp=(d=1Dxdp)p1

6,由ℓp\ell_pp范数家族衍生出来的特殊范数

1,欧式范数(Euclidean norm):
g(x)=∑d=1Dxd2g(x)=\sqrt{\sum_{d=1}^{D} x_d^2}g(x)=d=1Dxd2
(对应着ℓ2范数\ell_2范数2

2,曼哈顿范数(Manhattan norm):
g(x)=∑d=1D∣xd∣g(x)=\sum_{d=1}^{D} |x_d|g(x)=d=1Dxd
(对应着ℓ1范数\ell_1范数1

3,最大值范数(Maximum norm):
g(x)=maxd∣xd∣g(x)=max_d|x_d|g(x)=maxdxd
(对应着ℓ∞范数\ell_\infin范数

4,0范数(Zero norm):
g(x)=∑d=1D1[xd不等于0]g(x)=\sum_{d=1}^{D}1[x_d不等于0]g(x)=d=1D1[xd0]
(对应着ℓ0范数\ell_0范数0

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