矩阵范数
设 F=RF=R 或 C,C, 如果 Fn×nFn×n 上的一个 实函数 ∥⋅∥‖⋅‖ 满足: ∀A,B∈Fn×n,∀A,B∈Fn×n,
∥A+B∥≤∥A∥+∥B∥(3)(3)‖A+B‖≤‖A‖+‖B‖
∥AB∥≤∥A∥∥B∥(4)(4)‖AB‖≤‖A‖‖B‖
则称 ∥⋅∥‖⋅‖ 是 Fn×nFn×n 上的一个矩阵范数。
例
∥A∥F=(∑i=1n∑j=1n|aij|2)1/2=tr(AHA)−−−−−−−√‖A‖F=(∑i=1n∑j=1n|aij|2)1/2=tr(AHA)
∥⋅∥F‖⋅‖F 是一种矩阵范数。
证明
由于 ∥⋅∥F‖⋅‖F 也是向量范数,因此满足(1),(2),(3)。
∣∣∣∑k=1naikbkj∣∣∣≤∑k=1n|aikbkj|=∑k=1n|aik||bkj|≤[(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)]1/2|∑k=1naikbkj|≤∑k=1n|aikbkj|=∑k=1n|aik||bkj|≤[(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)]1/2
⇒∣∣∣∑k=1naikbkj∣∣∣2≤(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)⇒|∑k=1naikbkj|2≤(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)
⇒∑i=1n∑j=1n∣∣∣∑k=1naikbkj∣∣∣2≤∑i=1n∑j=1n[(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)]=(∑i=1n∑k=1n|aik|2)(∑j=1n∑k=1n|bkj|2)⇒∑i=1n∑j=1n|∑k=1naikbkj|2≤∑i=1n∑j=1n[(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)]=(∑i=1n∑k=1n|aik|2)(∑j=1n∑k=1n|bkj|2)
=(∑i=1n∑j=1n|aij|2)(∑i=1n∑j=1n|bij|2)=(∑i=1n∑j=1n|aij|2)(∑i=1n∑j=1n|bij|2)
⇒(∑i=1n∑j=1n∣∣∣∑k=1naikbkj∣∣∣2)1/2≤(∑i=1n∑j=1n|aij|2)1/2(∑i=1n∑j=1n|bij|2)1/2⇒(∑i=1n∑j=1n|∑k=1naikbkj|2)1/2≤(∑i=1n∑j=1n|aij|2)1/2(∑i=1n∑j=1n|bij|2)1/2
⇒∥AB∥F≤∥A∥F∥B∥F⇒‖AB‖F≤‖A‖F‖B‖F
定义
设 ∥⋅∥‖⋅‖ 与 ∥⋅∥α‖⋅‖α 分别是 Fn×nFn×n 与 FnFn 的矩阵范数和向量范数,若 ∀A∈Fn×n,∀X∈Fn,∀A∈Fn×n,∀X∈Fn,
则称矩阵范数 ∥⋅∥‖⋅‖ 与向量范数 ∥⋅∥α‖⋅‖α 是相容的。
定理
- 对于 Fn×nFn×n 上的每种矩阵范数,都存在 FnFn 上与它相容的向量范数。
- Fn×nFn×n 上的任意两种矩阵范数都是等价的。
常见的矩阵范数
∥A∥1=max1≤j≤n∑i=1n|aij|‖A‖1=max1≤j≤n∑i=1n|aij|
∥A∥∞=max1≤i≤n∑j=1n|aij|‖A‖∞=max1≤i≤n∑j=1n|aij|
∥A∥2=(ρ(AHA))1/2=max|λI−AHA|=0λ−−√‖A‖2=(ρ(AHA))1/2=max|λI−AHA|=0λ
∥A∥=sup0≠X∈Fn∥AX∥α∥X∥α‖A‖=sup0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α
证明
首先证明存在 max0≠X∈Fn∥AX∥α∥X∥αmax0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α :
函数 φ(Y)=∥AY∥αφ(Y)=‖AY‖α 在有界闭集 S={Y∈Fn:∥Y∥α=1}S={Y∈Fn:‖Y‖α=1} 上连续,因此存在一点 Y0∈SY0∈S 使得 φ(Y)φ(Y) 在 SS 有最大值。
于是 令 Y=X∥X∥α,Y=X‖X‖α, 则 ∥Y∥α=1,‖Y‖α=1, 因此 Y∈S,Y∈S,
于是 ∥AX∥α∥X∥α=∥AY∥α=φ(Y)≤φ(Y0)‖AX‖α‖X‖α=‖AY‖α=φ(Y)≤φ(Y0)
因此 ∥A∥=φ(Y0)=maxY∈S∥AY∥α‖A‖=φ(Y0)=maxY∈S‖AY‖α
接下来证明 ∥A∥‖A‖ 是矩阵范数:
1. 显然 ∥A∥≥0‖A‖≥0
2. ∥A∥=0⇔∥AX∥α∥X∥α=0,∀X∈Fn,X≠0⃗ ⇔AX=0⃗ ,∀X∈Fn⇔A=0‖A‖=0⇔‖AX‖α‖X‖α=0,∀X∈Fn,X≠0→⇔AX=0→,∀X∈Fn⇔A=0
3. ∥kA∥=maxY∈S∥kAY∥α=|k|maxY∈S∥AY∥α=|k|∥A∥‖kA‖=maxY∈S‖kAY‖α=|k|maxY∈S‖AY‖α=|k|‖A‖
4. ∥A+B∥=maxY∈S∥(A+B)Y∥α‖A+B‖=maxY∈S‖(A+B)Y‖α
=maxY∈S∥AY+BY∥α=maxY∈S‖AY+BY‖α
≤maxY∈S(∥AY∥α+∥BY∥α)≤maxY∈S(‖AY‖α+‖BY‖α)
≤maxY∈S∥AY∥α+maxY∈S∥BY∥α=∥A∥+∥B∥≤maxY∈S‖AY‖α+maxY∈S‖BY‖α=‖A‖+‖B‖
5. ∥AB∥=maxY∈S∥ABY∥α‖AB‖=maxY∈S‖ABY‖α
设 y0=argmaxY∈S∥ABY∥αy0=argmaxY∈S‖ABY‖α
若 By0=0⃗ By0=0→ 则 ∥AB∥=∥ABy0∥α=0≤∥A∥∥B∥‖AB‖=‖ABy0‖α=0≤‖A‖‖B‖
否则 ∥AB∥=∥ABy0∥α=∥ABy0∥α∥By0∥α⋅∥By0∥α≤max0≠X∈Fn∥AX∥α∥X∥α⋅maxY∈S∥BY∥α=∥A∥∥B∥‖AB‖=‖ABy0‖α=‖ABy0‖α‖By0‖α⋅‖By0‖α≤max0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α⋅maxY∈S‖BY‖α=‖A‖‖B‖