向量和矩阵范数

博客主要介绍了向量范数和矩阵范数相关知识。向量范数包括一阶、二阶、无穷阶和p阶范数,并给出了计算公式。矩阵范数涵盖列范数、特征值最大者、行范数和Frobenius范数等,还通过具体矩阵示例展示了不同矩阵范数的计算结果。

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  1. 向量范数
    X=(x1,x2,…,xn)T X=\left(x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}\right)^{T} X=(x1,x2,,xn)T

    • 一阶范数
      ∥X∥1=∑i=1n∣xi∣=∣x1∣+∣x2∣+…+∣xn∣ \|X\|_{1}=\sum_{i=1}^{n}\left|x_{i}\right|=\left|x_{1}\right|+\left|x_{2}\right|+\ldots+\left|x_{n}\right| X1=i=1nxi=x1+x2++xn

    • 二阶范数
      ∥X∥2=∑i=1nxi2=x12+x22+…+xn2 \|X\|_{2}=\sqrt{\sum_{i=1}^{n} x_{i}^{2}}=\sqrt{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+\ldots+x_{n}^{2}} X2=i=1nxi2=x12+x22++xn2

    • 无穷阶范数
      ∥X∥∞=max⁡1≤i≤n∣xi∣ \|X\|_{\infty}=\max _{1 \leq i \leq n}\left|x_{i}\right| X=1inmaxxi

    • ppp阶范数
      ∥X∥p=∑i=1n∣xi∣pp \|X\|_{p}=\sqrt[p]{\sum_{i=1}^{n}\left|x_{i}\right|^{p}} Xp=pi=1nxip


  2. 矩阵范数

    • 列范数,列元素绝对值之和最大者
      ∥A∥1=max⁡X∈Rn∥AX∥1∥X∥1=max⁡1≤j≤n∑i=1n∣aij∣ \|A\|_{1}=\max _{X \in R^{n}} \frac{\|A X\|_{1}}{\|X\|_{1}}=\max _{1 \leq j \leq n} \sum_{i=1}^{n}\left|a_{i j}\right| A1=XRnmaxX1AX1=1jnmaxi=1naij

    • 特征值最大者
      ∥A∥2=max⁡X∈Rn∥X∥≠0∥AX∥2∥X∥2=λmax⁡(ATA) \|A\|_{2}=\max _{X \in R^{n} \atop\|X\| \neq 0} \frac{\|A X\|_{2}}{\|X\|_{2}}=\sqrt{\lambda_{\max }\left(A^{T} A\right)} A2=X̸=0XRnmaxX2AX2=λmax(ATA)

    • 行范数,行元素绝对值之和最大者
      ∥A∥∞=max⁡X∈Rn∥X∥≠0∥AX∥∞∥X∥∞=max⁡1≤i≤n∑j=1n∣aij \|A\|_{\infty}=\max _{X \in R^{n} \atop\|X\| \neq 0} \frac{\|A X\|_{\infty}}{\|X\|_{\infty}}=\max _{1 \leq i \leq n} \sum_{j=1}^{n} | a_{i j} A=X̸=0XRnmaxXAX=1inmaxj=1naij
      例如:
      A=(1−2−34) A=\left( \begin{array}{cc}{1} & {-2} \\ {-3} & {4}\end{array}\right) A=(1324)
      ∥A∥1=6,∥A∥∞=7 \|\mathbf{A}\|_{1}=6, \quad\|A\|_{\infty}=7 A1=6,A=7
      ∥A∥2=λ=15+221≈5.46 \|A\|_{2}=\sqrt{\lambda}=\sqrt{15+\sqrt{221}} \approx 5.46 A2=λ=15+2215.46
      A′A=(10−14−1420)∣λE−A′A∣=0λ2−30λ+4=0 A^{\prime} A=\left( \begin{array}{cc}{10} & {-14} \\ {-14} & {20}\end{array}\right) \quad \begin{array}{c}{\left|\lambda \mathbf{E}-\mathbf{A}^{\prime} \mathbf{A}\right|=0} \\ {\lambda^{2}-30 \lambda+4=0}\end{array} AA=(10141420)λEAA=0λ230λ+4=0
      Frobenius范数:
      ∥A∥F=∑j=1n∑i=1naij2∥A∥F=30≈5.477 \|A\|_{F}=\sqrt{\sum_{j=1}^{n} \sum_{i=1}^{n} a_{i j}^{2}}\qquad \|A\|_{F}=\sqrt{30} \approx 5.477 AF=j=1ni=1naij2AF=305.477

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