特征值分解与奇异值分解

矩阵分解:特征值与奇异值解析

1.特征值分解(谱分解)

A=QΛQH{Q=[u1⃗u2⃗⋯uM⃗]Λ=diag{λ1,λ2,⋯ ,λM} \begin{align} &A=Q\Lambda Q^H\\ &\left\{ \begin{aligned} Q&=\begin{bmatrix} \vec{u_1} &\vec{u_2} &\cdots&\vec{u_M} \end{bmatrix}\\ \Lambda&=diag\{\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_M\} \end{aligned} \right. \end{align} A=QΛQH{QΛ=[u1u2uM]=diag{λ1,λ2,,λM}

2.奇异值分解

AL×M=YL×L[ΣK×K0K×(M−K)0(L−K)×K0(L−K)×(M−K)]XM×MH{X=[x1⃗x2⃗⋯xM⃗]Y=[y1⃗y2⃗⋯yM⃗]Σ=diag{σ1,σ2,⋯ ,σM} \begin{align} &A_{L\times M}=Y_{L\times L} \begin{bmatrix} \Sigma_{K\times K } & 0_{K\times (M-K)}\\ 0_{(L-K)\times K}& 0_{(L-K)\times (M-K)} \end{bmatrix} X_{M\times M}^H \\ &\left\{ \begin{aligned} X&=\begin{bmatrix} \vec{x_1} &\vec{x_2} &\cdots&\vec{x_M} \end{bmatrix}\\ Y&=\begin{bmatrix} \vec{y_1} &\vec{y_2} &\cdots&\vec{y_M} \end{bmatrix}\\ \Sigma&=diag\{\sigma_1,\sigma_2,\cdots,\sigma_M\} \end{aligned} \right. \end{align} AL×M=YL×L[ΣK×K0(LK)×K0K×(MK)0(LK)×(MK)]XM×MHXYΣ=[x1x2xM]=[y1y2yM]=diag{σ1,σ2,,σM}

3.特征值分解与奇异值分解关系

{AHA=X[Σ20K×(M−K)0(M−K)×K0(M−K)×(M−K)]XHAAH=Y[Σ20K×(L−K)0(L−K)×K0(L−K)×(L−K)]YH \begin{align} \left\{ \begin{aligned} A^HA&=X \begin{bmatrix} \Sigma^2 & 0_{K\times (M-K)}\\ 0_{(M-K)\times K}& 0_{(M-K)\times (M-K)} \end{bmatrix} X^H \\ AA^H&=Y \begin{bmatrix} \Sigma^2 & 0_{K\times (L-K)}\\ 0_{(L-K)\times K}& 0_{(L-K)\times (L-K)} \end{bmatrix} Y^H \\ \end{aligned} \right. \end{align} AHAAAH=X[Σ20(MK)×K0K×(MK)0(MK)×(MK)]XH=Y[Σ20(LK)×K0K×(LK)0(LK)×(LK)]YH

(1)特征值与奇异值

AHAA^HAAHAAAHAA^HAAH非零特征值等于AL×MA_{L\times M}AL×M的非零奇异值的平方:
Λ=Σ2 \Lambda = \Sigma ^2 Λ=Σ2

(2)特征向量与奇异向量

左奇异向量矩阵YYYAAHAA^HAAH的特征向量矩阵
左奇异向量矩阵XXXAHAA^HAAHA的特征向量矩阵

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