正交变换不改变矩阵F-范数、2-范数的证明

一、两种范数的定义

1.1 F-范数

∣∣A∣∣F=∑0≤i,j≤naij2 ||A||_F = \sqrt{\sum _{0\le i,j\le n}a_{ij} ^ 2} AF=0i,jnaij2

1.2 2-范数

1.2.1 计算公式

简单来说,矩阵A的2范数可以用下面的公式计算:
∣∣A∣∣2=λm ||A||_2 = \sqrt{\lambda_m}\\ A2=λm
其中λm\lambda_mλmATAA^TAATA的最大的特征值

1.2.2 完整的定义

向量范数的定义: ∣∣a∣∣p=(∑iaip)1/p||a||_p = (\sum_i a_i^p)^{1/p}ap=(iaip)1/p

由向量范数构造矩阵范数:

设给定向量范数,对任意矩阵A∈Rn×nA\in R^{n\times n}ARn×n,let
∣∣A∣∣=max⁡∣∣x∣∣=1∣∣Ax∣∣ ||A|| = \max _{||x||=1}||Ax|| A=x=1maxAx
则上式定义的∣∣A∣∣||A||A矩阵范数,并且与∣∣x∣∣||x||x相容

定义
∣∣A∣∣p=max⁡∣∣x∣∣p=1∣∣Ax∣∣p ||A||_p = \max_{||x||_p = 1} ||Ax||_p Ap=xp=1maxAxp
∣∣⋅∣∣p||\cdot||_pp与矩阵的p-范数相容

1.2.3 计算公式推导

ATAA^TAATA是非负定对称矩阵,可以相似对角化, 并且特征值全部非负。

设矩阵ATAA^TAATA经过正交化的单位特征向量为x1,x2,...,xn,∣∣xi∣∣2=1,(xi,xj)i≠j=0x_1, x_2,...,x_n,||x_i||_2 = 1,(x_i,x_j)_{i\ne j} = 0x1,x2,...,xn,xi2=1,(xi,xj)i=j=0

向量x=c1x1+...+cnxnx = c_1x_1 + ... + c_n x_nx=c1x1+...+cnxn

ATAx=ATA(c1x1+...+cnxn)=c1λ1x1+...+cnλnxnA^TAx = A^TA( c_1x_1 + ... + c_n x_n) = c_1 \lambda_1 x_1 + ... + c_n \lambda_n x_nATAx=ATA(c1x1+...+cnxn)=c1λ1x1+...+cnλnxn

1=∣∣x∣∣22=∑ici21 = ||x||_2^2 = \sum_i c_i ^21=x22=ici2

∣∣Ax∣∣22=(Ax)T(Ax)=xTATAx=∑iciλixTxi=∑ici2λi≤λm||Ax||_2^2 = (Ax)^T(Ax) = x^T A^TAx = \sum_i c_i \lambda_i x^Tx_i = \sum_i c_i^2 \lambda_i \le \lambda_mAx22=(Ax)T(Ax)=xTATAx=iciλixTxi=ici2λiλm

x=xmx = x_mx=xm时取等号,因此

∣∣A∣∣2=max⁡∣∣x∣∣2=1∣∣Ax∣∣2=λm||A||_2 = \max_{||x||_2 = 1} ||Ax||_2 = \sqrt{\lambda_m}A2=maxx2=1Ax2=λm

二、证明正交变换不改变这两种范数

B=PTAPB = P^TAPB=PTAP,P 是正交矩阵。

只需证明∣∣A∣∣=∣∣B∣∣||A|| = ||B||A=B

2.1 2-范数

由于正交相似变换不改变矩阵的特征值,因此

∣∣A∣∣2=∣∣B∣∣2||A||_2 = ||B||_2A2=B2

2.2 F范数

可以证明∣∣AP∣∣F=∣∣A∣∣F||AP||_F = ||A||_FAPF=AF∣∣PB∣∣F=∣∣B∣∣F||PB||_F = ||B||_FPBF=BF,因为AP=PBAP = PBAP=PB,所以得到∣∣A∣∣F=∣∣B∣∣F||A||_F = ||B||_FAF=BF

下面证明∣∣PB∣∣F=∣∣B∣∣F||PB||_F = ||B||_FPBF=BF

将矩阵B按列分块

∣∣PB∣∣F2=∣∣P(b1,...bn)∣∣F=∑i∣∣Pbi∣∣22=∑i(Pbi)T(Pbi)=∑ibiTbi=∑i∣∣bi∣∣22=∣∣B∣∣F \begin{aligned} ||PB||_F^2 &= ||P(b_1,...b_n)||_F\\ &= \sum_i ||Pb_i||_2^2\\ &= \sum_i (Pb_i)^T(Pb_i)\\ &= \sum_i b_i^Tb_i\\ &= \sum_i ||b_i||_2^2\\ &= ||B||_F\\ \end{aligned} PBF2=P(b1,...bn)F=iPbi22=i(Pbi)T(Pbi)=ibiTbi=ibi22=BF

∣∣AP∣∣F=∣∣(AP)T∣∣F=∣∣PTAT∣∣F=∣∣AT∣∣F=∣∣A∣∣F ||AP||_F = ||(AP)^T||_F = ||P^TA^T||_F = ||A^T||_F = ||A||_F APF=(AP)TF=PTATF=ATF=AF
证毕,因此∣∣A∣∣F=∣∣B∣∣F||A||_F = ||B||_FAF=BF

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