SVD详解

奇异值分解(SVD)在优化、特征值、最小二乘问题、广义逆矩阵等领域有广泛应用。本文从奇异矩阵和正交矩阵概念出发,深入探讨SVD的性质、定理和实现,包括其在非奇异矩阵正交对角分解中的作用,并提供了多个参考资料。

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 矩阵的奇异值(singular value decompostion, SVD)在最优化问题、特征值问题、最小二乘方问题、广义逆矩阵问题及统计学方面都有重要的应用。本人在研究生物基因组规模的代谢网络和图像识别的相关算法时,都大量的涉及了这一方面的内容,因此开始对此进行初步的理解和研究。我们从基础的概念开始,逐渐深入。

1 奇异矩阵

对于一个方阵A,如果行列式|A|=0,则A是奇异矩阵;如果|A| !=0, 则是非奇异矩阵。

已知 |A| !=0  -> A可逆, 所以可逆矩阵是非奇异矩阵;

如果A是奇异矩阵,则 AX=0 有无穷多个解,AX=b有无穷多个解或者无解;(why?)

如果A是非奇异矩阵,则AX=0有零解,AX=b有唯一解。

A(n×n) is a singular matrix <=> Rank(A)<n; 

A(n×n) is a non-singular matrix <=> Rank(A)=n.

2 正交矩阵:如果实方阵Q满足 QTQ = I,或Q-1 = QT则称Q为正交矩阵。

 容易证明,正交矩阵的列向量是两两正交的单位向量。

  推论:1 正交向量是非奇异的。

              证明:det(QTQ)= detQT×detQ = (detQ)2 =  1 ≠ 0

                       所以|Q| ≠0

           2 正交矩阵的逆矩阵仍然是正交矩阵。

              证明

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