矩阵范数

本文详细介绍了矩阵范数的概念,包括F范数的定义和性质,通过例子和证明展示了矩阵范数如何满足向量范数的性质,并探讨了不同类型的矩阵范数,如1范数和无穷范数,以及它们与向量范数的关系。

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矩阵范数

F=RF=RC,C, 如果 Fn×nFn×n 上的一个 实函数 ‖⋅‖ 满足: A,BFn×n,∀A,B∈Fn×n,

A0A=0A=0(1)(1)‖A‖≥0且‖A‖=0⇔A=0

kF,kA=|k|A(2)(2)∀k∈F,‖kA‖=|k|‖A‖

A+BA+B(3)(3)‖A+B‖≤‖A‖+‖B‖
ABAB(4)(4)‖AB‖≤‖A‖‖B‖
则称 ‖⋅‖Fn×nFn×n 上的一个矩阵范数

AF=(i=1nj=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=1naikbkjk=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=1naikbkj2(k=1n|aik|2)(k=1n|bkj|2)⇒|∑k=1naikbkj|2≤(∑k=1n|aik|2)(∑k=1n|bkj|2)
i=1nj=1nk=1naikbkj2i=1nj=1n[(k=1n|aik|2)(k=1n|bkj|2)]=(i=1nk=1n|aik|2)(j=1nk=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=1nj=1n|aij|2)(i=1nj=1n|bij|2)=(∑i=1n∑j=1n|aij|2)(∑i=1n∑j=1n|bij|2)
(i=1nj=1nk=1naikbkj2)1/2(i=1nj=1n|aij|2)1/2(i=1nj=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
ABFAFBF⇒‖AB‖F≤‖A‖F‖B‖F

定义

‖⋅‖α‖⋅‖α 分别是 Fn×nFn×nFnFn 的矩阵范数和向量范数,若 AFn×n,XFn,∀A∈Fn×n,∀X∈Fn,

AXαAXα‖AX‖α≤‖A‖‖X‖α

则称矩阵范数 ‖⋅‖ 与向量范数 α‖⋅‖α相容的。

定理

  1. 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。
  2. 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

A1=max1jni=1n|aij|‖A‖1=max1≤j≤n∑i=1n|aij|
A=max1inj=1n|aij|‖A‖∞=max1≤i≤n∑j=1n|aij|
A2=(ρ(AHA))1/2=max|λIAHA|=0λ‖A‖2=(ρ(AHA))1/2=max|λI−AHA|=0λ
A=sup0XFnAXαXα‖A‖=sup0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α

证明

首先证明存在 max0XFnAXαXαmax0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α
函数 φ(Y)=AYαφ(Y)=‖AY‖α 在有界闭集 S={YFn:Yα=1}S={Y∈Fn:‖Y‖α=1} 上连续,因此存在一点 Y0SY0∈S 使得 φ(Y)φ(Y)SS 有最大值。
于是 XFn,X0,Y=XXα,Y=X‖X‖α,Yα=1,‖Y‖α=1, 因此 YS,Y∈S,
于是 AXαXα=AYα=φ(Y)φ(Y0)‖AX‖α‖X‖α=‖AY‖α=φ(Y)≤φ(Y0)
因此 A=φ(Y0)=maxYSAYα‖A‖=φ(Y0)=maxY∈S‖AY‖α
接下来证明 A‖A‖ 是矩阵范数:
1. 显然 A0‖A‖≥0
2. A=0AXαXα=0,XFn,X0⃗ AX=0⃗ ,XFnA=0‖A‖=0⇔‖AX‖α‖X‖α=0,∀X∈Fn,X≠0→⇔AX=0→,∀X∈Fn⇔A=0
3. kA=maxYSkAYα=|k|maxYSAYα=|k|A‖kA‖=maxY∈S‖kAY‖α=|k|maxY∈S‖AY‖α=|k|‖A‖
4. A+B=maxYS(A+B)Yα‖A+B‖=maxY∈S‖(A+B)Y‖α
=maxYSAY+BYα=maxY∈S‖AY+BY‖α
maxYS(AYα+BYα)≤maxY∈S(‖AY‖α+‖BY‖α)
maxYSAYα+maxYSBYα=A+B≤maxY∈S‖AY‖α+maxY∈S‖BY‖α=‖A‖+‖B‖
5. AB=maxYSABYα‖AB‖=maxY∈S‖ABY‖α
y0=argmaxYSABYαy0=argmaxY∈S⁡‖ABY‖α
By0=0⃗ By0=0→AB=ABy0α=0AB‖AB‖=‖ABy0‖α=0≤‖A‖‖B‖
否则 AB=ABy0α=ABy0αBy0αBy0αmax0XFnAXαXαmaxYSBYα=AB‖AB‖=‖ABy0‖α=‖ABy0‖α‖By0‖α⋅‖By0‖α≤max0≠X∈Fn‖AX‖α‖X‖α⋅maxY∈S‖BY‖α=‖A‖‖B‖

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