凸优化中的数学基础知识(范数篇一)内积,欧式范数

#凸优化中的数学基础知识(范数篇一)
##内积,Euclid范数和夹角
定义在nnn维实向量集合RnR^nRn上的标准内积,对任意的x,y∈Rnx,y \in R^nx,yRn
&lt;x,y&gt;=xTy=∑1nxiyi&lt;x,y&gt;=x^Ty=\sum_1^nx_iy_i<x,y>=xTy=1nxiyi,
下面我们都将采用xTyx^TyxTy代替&lt;x,y&gt;&lt;x,y&gt;<x,y>.向量的Euclid范数,或者ℓ2\ell_22范数,定义为
∥x∥2=(xTx)1/2=(x12+...+xn2)1/2\|x\|_2=(x^Tx)^{1/2}=(x_1^2+...+x_n^2)^{1/2} x2=(xTx)1/2=(x12+...+xn2)1/2
对于任意的x,y∈Rnx,y \in R^nx,yRn,Cauchy-Schwartz不等式,是∣xTy∣≤∥x∥∥y∥|x^Ty|\le\|x\|\|y\|xTyxy,两个非零向量x,y∈Rnx,y \in R^nx,yRn之间(无符号)的夹角定义为
∠(x,y)=arccos(xTy∥x∥∥y∥)\angle(x,y)=arccos(\frac{x^Ty}{\|x\|\|y\|})(x,y)=arccos(xyxTy),
其中我们先取arccos(u)∈[0,π]arccos(u) \in [0,\pi]arccos(u)[0,π].如果xTy=0,我们称x和y正交如果x^Ty=0,我们称x和y正交xTy=0,xy.
y=0y=0y=0时,结论显然成立,当yyy不等于0时,对于∀λ∈R\forall \lambda\in\Bbb RλR可知0≤⟨x−λy,x−λy⟩0\le\langle x-\lambda y,x-\lambda y\rangle0xλy,xλy=⟨x−λy,x⟩−λ⟨x−λy,y⟩=\langle x-\lambda y,x\rangle-\lambda\langle x-\lambda y,y\rangle=xλy,xλxλy,y=⟨x,x⟩−λ⟨x,y⟩−λ(⟨x,y⟩−⟨λy,y⟩)=\langle x,x\rangle-\lambda\langle x,y\rangle-\lambda(\langle x,y\rangle-\langle\lambda y,y\rangle)=x,xλx,yλ(x,yλy,y)=∥x∥2−λ⟨x,y⟩−λ(⟨x,y⟩−λ∥y∥2)=\|x\|^2-\lambda\langle x,y\rangle-\lambda(\langle x,y\rangle-\lambda\|y\|^2)=x2λx,yλ(x,yλy2)令λ=⟨x,y⟩∥y∥−2令\lambda=\langle x,y\rangle\|y\|^{-2}λ=x,yy2,则后面括号内的一项为0,不等式化为:
0≤∥x∥2−⟨x,y⟩2∥y∥−20\le\|x\|^2-\langle x,y\rangle^2\|y\|^{-2}0x2x,y2y2
因此有∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥∥y∥|\langle x,y\rangle|\le\|x\|\|y\|x,yxy,这是实空间的推导,很容易推广到复空间,只需要在推导时取部分项取共轭。
定义在m×nm\times nm×n实矩阵集合Rm×nR^{m\times n}Rm×n上的标准内积为,对于∀X,Y∈Rm×n,\forall X,Y \in R^{m\times n},X,YRm×n, ⟨x,y⟩=tr(XTY)=∑i=1n∑j=1nXijYij.\langle x,y\rangle=tr(X^TY)=\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^nX_{ij}Y_{ij}.x,y=tr(XTY)=i=1nj=1nXijYij. 此处tr表示矩阵的迹,即对角元素之和。我们用符号tr(XtY)代替⟨x,y⟩.两个矩阵的向量实际上就是将矩阵的元素按一定的顺序排列后所生成的Rmn中相应向量的内积。此处tr表示矩阵的迹,即对角元素之和。我们用符号tr(X^tY)代替\langle x,y\rangle.两个矩阵的向量实际上就是将矩阵的元素按一定的顺序排列后所生成的R^{mn}中相应向量的内积。trtr(XtY)x,y.Rmn
矩阵X∈Rm×n的Frobenius范数定义为X\in R^{m\times n}的Frobenius范数定义为XRm×nFrobenius ∥X∥F=(tr(XTX)1/2=(∑i=1m∑j=1nXij2)1/2\|X\|_F=(tr(X^TX)^{1/2}=(\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nX_{ij}^2)^{1/2}XF=(tr(XTX)1/2=(i=1mj=1nXij2)1/2 Frobenius范数实际上就是将矩阵的稀疏按一定顺序排列后所生成的相应向量的Euclid范数Frobenius范数实际上就是将矩阵的稀疏按一定顺序排列后所生成的相应向量的Euclid范数FrobeniusEuclid
下一节我们会介绍范数,距离以及单位球。

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