Ridge Linear Regression Estimation Invertible

本文探讨了在最小二乘法中加入正则化项如何保证矩阵(XTX+λI)的正定性和可逆性。通过数学推导,证明了对于任意向量v,该矩阵与v的乘积大于等于零,从而确认其为正定矩阵,确保了其可逆性。

Reference: https://math.stackexchange.com/questions/2447060/prove-that-the-regularization-term-in-rls-makes-the-matrix-invertible

θ ^ = ( X T X + λ I ) − 1 X y \hat{\theta} = (X^TX + \lambda I)^{-1}Xy θ^=(XTX+λI)1Xy
For any vector v ∈ R d v \in \mathbb{R}^d vRd, we have v T X T X v = ( X v ) T ( X v ) > = 0 v^TX^TXv = (Xv)^T(Xv) >= 0 vTXTXv=(Xv)T(Xv)>=0, so it is a positive semi-definite. Also, we know λ > 0 \lambda >0 λ>0 so that λ I \lambda I λI is already a positive definite matrix.
Therefore,
v T ( X T X + λ I ) v = ( X v ) T ( X v ) + λ v T I v > = v T ( λ ) v > 0 v^T(X^TX + \lambda I)v=(Xv)^T(Xv) + \lambda v^TIv >= v^T(\lambda)v>0 vT(XTX+λI)v=(Xv)T(Xv)+λvTIv>=vT(λ)v>0
is a positve definite and hence invertible.

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