矩阵范数与矩阵的模

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矩阵范数与矩阵的模

2024-07-13 03:07| 来源: 网络整理| 查看: 265

矩阵范数(matrix norm)是数学中矩阵论、线性代数、泛函分析等领域中常见的基本概念,是将一定的矩阵空间建立为赋范向量空间时为矩阵装备的范数。应用中常将有限维赋范向量空间之间的映射以矩阵的形式表现,这时映射空间上装备的范数也可以通过矩阵范数的形式表达。 矩阵范数却不存在公认唯一的度量方式, 一般来讲矩阵范数除了正定性,齐次性和三角不等式之外,还规定其必须满足相容性:  。所以矩阵范数通常也称为相容范数。

如果║·║α是相容范数,且任何满足║·║β≤║·║α的范数║·║β都不是相容范数,那么║·║α称为极小范数。对于n阶实方阵(或复方阵)全体上的任何一个范数║·║,总存在唯一的实数k>0,使得k║·║是极小范数。 注:如果不考虑相容性,那么矩阵范数和向量范数就没有区别,因为mxn矩阵全体和mn维向量空间同构。引入相容性主要是为了保持矩阵作为线性算子的特征,这一点和算子范数的相容性一致,并且可以得到Mincowski定理以外的信息。 首先给出向量范数及矩阵范数的计算方法(来自JIMYE的博客): 1、向量范数

1-范数:,即向量元素绝对值之和,matlab调用函数norm(x, 1) 。

2-范数:,Euclid范数(欧几里得范数,常用计算向量长度),即向量元素绝对值的平方和再开方,matlab调用函数norm(x, 2)。

∞-范数:,即所有向量元素绝对值中的最大值,matlab调用函数norm(x, inf)。

-∞-范数:,即所有向量元素绝对值中的最小值,matlab调用函数norm(x, -inf)。

p-范数:,即向量元素绝对值的p次方和的1/p次幂,matlab调用函数norm(x, p)。

2、矩阵范数

1-范数:, 列和范数,即所有矩阵列向量绝对值之和的最大值,matlab调用函数norm(A, 1)。

2-范数:,谱范数,即A'A矩阵的最大特征值的开平方。matlab调用函数norm(x, 2)。

∞-范数:,行和范数,即所有矩阵行向量绝对值之和的最大值,matlab调用函数norm(A, inf)。

F-范数:,Frobenius范数,即矩阵元素绝对值的平方和再开平方,matlab调用函数norm(A, ’fro‘)。

另外,对于范数的其他性质,有如下定义: 诱导的范数 把矩阵看作线性算子,那么可以由向量范数诱导出矩阵范数 ║A║ = max{║Ax║:║x║=1}= max{║Ax║/║x║: x≠0} 它自动满足对向量范数的相容性 ║Ax║ ≤ ║A║║x║ 并且可以由此证明: ║AB║ ≤ ║A║║B║。 注: ⒈ 上述定义中可以用max代替sup是因为有限维空间的单位闭球是紧的(有限开覆盖定理),从而上面的连续函数可以取到最值。 ⒉ 单位矩阵的算子范数为1。 常用的三种p-范数推导出的矩阵范数: 1-范数: ║A║1 = max{ ∑|ai1|,∑|ai2|,……,∑|ain| } (列和范数,A每一列元素绝对值之和的最大值)(其中∑|ai1|第一列元素绝对值的和∑|ai1|=|a11|+|a21|+...+|an1|,其余类似); 2-范数: ║A║2 = A的最大奇异值 = (max{ λi(AH*A) }) 1/2 (谱范数,即A^H*A 特征值λi中最大者λ1的平方根,其中AH为A的转置 共轭矩阵); ∞-范数: ║A║∞ = max{ ∑|a1j|,∑|a2j|,...,∑|amj| } (行和范数,A每一行元素绝对值之和的最大值)(其中∑|a1j| 为第一行元素绝对值的和,其余类似); 其它的p-范数则没有很简单的表达式。 对于p-范数而言,可以证明║A║p=║AH║q,其中p和q是共轭指标。 简单的情形可以直接验证:║A║1=║AH║∞,║A║2=║AH║2,一般情形则需要利用║A║p=max{yH*A*x:║x║p=║y║q=1}。 非诱导范数 有些矩阵范数不可以由向量范数来诱导,比如常用的Frobenius范数(也叫Euclid范数,简称F-范数或者E-范数): ║A║F= (∑∑ aij2)1/2 (A全部元素平方和的平方根)。 容易验证F-范数是相容的,但当min{m,n}>1时F-范数不能由向量范数诱导(||E11+E22||F=2>1)。 可以证明任一种矩阵范数总有与之相容的向量范数。 例: 定义║x║=║X║,其中X=[x,x,…,x]是由x作为列的矩阵。由于向量的F-范数就是2-范数,所以F-范数和向量的2-范数相容。 另外还有以下结论: ║AB║F 


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