1. 矩阵范数

我们怎么来衡量一个矩阵的大小呢?针对一个向量,它的长度是

。针对一个矩阵,它的范数是
。有时候我们会用向量的范数来替代长度这个说法,但对于矩阵我们只说范数。有很多方式来定义矩阵的范数,我们来看看所有范数的的要求然后选择其中一个。

Frobenius 对矩阵中的所有元素进行平方

再相加,然后
就是它的平方根。这就像把矩阵看作是一个很长的有
个元素的向量,这有时候会很有用,但这里我们不选择它。

向量范数满足三角不等式,即

不大于
或者
的长度变为两倍。同样的规则也应用于矩阵的范数:

第二个对矩阵范数的要求是新的,因为矩阵可以相乘。范数

控制着从
和从
的增长。

根据此,我们可以这样定义矩阵的范数:

恒等矩阵的范数为 1,针对一个正交矩阵,我们有

,所以正交矩阵的范数也为 1。

针对正定的对称矩阵,

将矩阵分解成

,左右两边的正交矩阵保持向量的长度不变,因此
的最大值就是对角阵中的最大特征值。对于一个对称矩阵,我们仍然可以得到上面的分解,只不过此时的特征值不能保证一定是正数,矩阵的范数变为了特征值绝对值的最大值。

对于不对称的矩阵,它的特征值不能衡量矩阵真正的大小,范数可以比所有特征值都大。

对于上面的例子,

是对称矩阵
的特征向量,事实上矩阵的范数是由
的最大特征值决定的。

矩阵的范数是

最大特征值的平方根,也就是矩阵的最大奇异值。

2. 条件数

有些系统对误差很敏感,有些则不是那么敏感,对误差的灵敏度我们用条件数来衡量。

原始的方程为

,假设方程右边由于测量误差被改变为了
,那么我们的解就变成了
,我们的目标是估计
是怎么影响
的。

如果

很大的话,此时矩阵接近于奇异,
就会很大。
还会变得特别大如果
在错误的方向,因为它会被
放大。最大的误差为

但这样会有一个问题,当我们改变

的话,方程的解
都会同时改变,相对误差
却保持不变。事实上,应该是解
的相对误差和
的误差相比较,条件数
衡量了方程
的灵敏度。
  • 证明

(1) 式和 (2) 式相乘,可得,

上式两边同时除以

可得,

同理可得,

此外,对于正定矩阵,条件数来自于它的特征值。

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