20211201 (正定矩阵A+正定矩阵B)的最小特征值 ≥ 正定矩阵A的最小特征值+正定矩阵B的最小特征值
定理: A,BA, BA,B 均正定,C=A+BC=A+BC=A+B,因此也是正定 λmin(C)⩾λmin(A)+λmin(B)\lambda_{\min}(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B)λmin(C)⩾λmin(A)+λmin(B) λmax(C)⩽λmax(A)+λmax(B)\lambda_{\max}(C) \leqslant \lambda_{\max}(A)+\lambda_{\max}(B)λmax(C)⩽λmax(A)+λmax(B)
证明:
xTAx⩾λmin(A)xTxx^TAx \geqslant \lambda_{\min}(A)x^TxxTAx⩾λmin(A)xTx. Thus, xT(A−λmin(A)E)x⩾0x^T(A-\lambda_{\min}(A)E)x \geqslant 0xT(A−λmin(A)E)x⩾0, that is, A−λmin(A)EA-\lambda_{\min}(A)EA−λmin(A)E is non-negative definite.
因此,有
A−λmin(A)E⩾0A-\lambda_{\min}(A)E \geqslant 0A−λmin(A)E⩾0
B−λmin(B)E⩾0B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0B−λmin(B)E⩾0
A−λmin(A)E+B−λmin(B)E⩾0A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0A−λmin(A)E+B−λmin(B)E⩾0
显然, Cx=λ(C)xCx=\lambda(C)xCx=λ(C)x,所有
(A−λmin(A)E+B−λmin(B)E)x=(λ(C)−λmin(A)−λmin(B))x(A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E)x=\left(\lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B)\right)x(A−λmin(A)E+B−λmin(B)E)x=(λ(C)−λmin(A)−λmin(B))x
也就是说,λ(C)−λmin(A)−λmin(B)\lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B)λ(C)−λmin(A)−λmin(B)是A−λmin(A)E+B−λmin(B)EA-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)EA−λmin(A)E+B−λmin(B)E的特征值
因为A−λmin(A)E+B−λmin(B)E⩾0A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0A−λmin(A)E+B−λmin(B)E⩾0,是非负定阵,因此λ(C)−λmin(A)−λmin(B)⩾0\lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B) \geqslant 0λ(C)−λmin(A)−λmin(B)⩾0
所以
λ(C)⩾λmin(A)+λmin(B)\lambda(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B)λ(C)⩾λmin(A)+λmin(B)
λmin(C)⩾λmin(A)+λmin(B)\lambda_{\min}(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B)λmin(C)⩾λmin(A)+λmin(B)
同理
λmax(C)⩽λmax(A)+λmax(B)\lambda_{\max}(C) \leqslant \lambda_{\max}(A)+\lambda_{\max}(B)λmax(C)⩽λmax(A)+λmax(B)
注意:这里必须 A,BA, BA,B 均正定,否则不成立;例如:
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