\chapter{实对称矩阵} \section{实对称矩阵的谱分解} \begin{proposition} 实对称矩阵的特征多项式的根都是实根,即实对称矩阵在$\complexnum$上的特征值都是实数。 \end{proposition} \begin{theorem}[实对称矩阵的谱分解] 对$n$阶实对称矩阵$A$,存在$n$阶正交矩阵$Q$和实对角矩阵$\varLambda$,使得$A = Q\varLambda Q\trans$。分解$A = Q\varLambda Q\trans$称为实对称矩阵$A$的谱分解。 \end{theorem} \begin{example} 将$A$对角化。 \end{example} \begin{enumerate} \item 求特征值:求$\det(\lambda I - A) = 0$的根$\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_k$。 \item 对每个$\lambda_i$,求$\nullspace{\lambda_i I - A}$的一组基$\bvec{x}_{i,1}, \bvec{x}_{i,2}, \dots, \bvec{x}_{i,r_i}$。 \item 利用Gram-Schmidt正交化方法得到每个特征值所述的特征子空间的标准正交基\[\bvec{q}_{i,1}, \bvec{q}_{i,2}, \dots, \bvec{q}_{i,r_i}\] \item 若有亏损特征值,则$A$不可对角化;若所有的特征值都是半单的,则令 \[Q = \begin{bmatrix} \bvec{q}_{1,1} & \cdots & \bvec{q}_{1,r_1} & \bvec{q}_{2,1} & \cdots & \bvec{q}_{2, r_2} & \cdots & \bvec{q}_{k,1} & \cdots & \bvec{q}_{k, r_k} \end{bmatrix}\] \[\varLambda = \diag(\underbrace{\lambda_1 \dots \lambda_1}_{r_1\text{个}}\underbrace{\lambda_2 \dots \lambda_2}_{r_2\text{个}}\dots \underbrace{\lambda_k \dots \lambda_k}_{r_k\text{个}})\] 则有$A = Q\varLambda Q\trans$。 \end{enumerate} \begin{corollary} 实对称矩阵属于不同特征值的特征向量互相正交。 \end{corollary} \begin{definition}[正交相似] 对实方阵$A, B$,如果存在正交矩阵$Q$使得$Q\trans AQ = B$,则称$A$和$B$正交相似,或$A$正交相似于$B$。 \end{definition} \begin{proposition} 实方阵的正交相似关系是等价关系。 \end{proposition} \begin{definition}[Rayleigh商] 给定实矩阵$A$和非零向量$\bvec{x} \in \realnum^n$,实数$\dfrac{\bvec{x}\trans A \bvec{x}}{\bvec{x}\trans \bvec{x}}$称为$\bvec{x}$关于$A$的Rayleigh商。 \end{definition} \begin{proposition} 设实对称矩阵$A$的特征值为$\lambda_1 \geq \lambda_2 \geq \dots \geq \lambda_n$,相应的特征向量为$\bvec{q}_1, \bvec{q}_2, \dots, \bvec{q}_n$,则 \[\lambda_1 = \max \limits_{\bvec{x} \neq \bvec{0}} \frac{\bvec{x}\trans A\bvec{x}}{\bvec{x}\trans \bvec{x}}, \lambda_i = \max \limits_{\bvec{x} \neq 0, \bvec{x} \perp \matspan(\bvec{q}_1, \bvec{q}_2, \dots, \bvec{q}_{i - 1})} \frac{\bvec{x}\trans A\bvec{x}}{\bvec{x}\trans \bvec{x}}, i = 2, \dots, n\] 类似地,有 \[\lambda_1 = \min \limits_{\bvec{x} \neq \bvec{0}} \frac{\bvec{x}\trans A\bvec{x}}{\bvec{x}\trans \bvec{x}}, \lambda_i = \min \limits_{\bvec{x} \neq 0, \bvec{x} \perp \matspan(\bvec{q}_{i+1}, \dots, \bvec{q}_n)} \frac{\bvec{x}\trans A\bvec{x}}{\bvec{x}\trans \bvec{x}}, i = 1, 2, \dots, n -1\] \end{proposition} \section{正定矩阵} \begin{definition}[正定矩阵] 给定$n$阶实矩阵$A$,如果对任意非零向量$\bvec{x} \in \realnum^n$,都有$\bvec{x}\trans A \bvec{x} > 0$,则称$A$正定。 \end{definition} \begin{definition}[顺序主子式] 矩阵$A$的第$i$个顺序主子阵的行列式称为其第$i$个顺序主子式。 \end{definition} \begin{proposition} 对实对称矩阵$A$,以下叙述等价: \begin{enumerate} \item $A$正定; \item $A$的特征值都是正数; \item 存在可逆矩阵$T$,使得$A = TT\trans$; \item $A$有$LDL\trans$分解,且$D$的对角元素都是整数; \item $A$的顺序主子式都是正数; \item $A$的顺序主子阵都正定。 \end{enumerate} \end{proposition} \begin{definition} 给定$n$阶实矩阵$A$,如果对任意非零向量$\bvec{x} \in \realnum^n$,都有 \begin{enumerate} \item $\bvec{x}\trans A \bvec{x} > 0$,则称矩阵$A$正定,如前定义; \item $\bvec{x}\trans A \bvec{x} \geq 0$,则称矩阵$A$半正定; \item $\bvec{x}\trans A \bvec{x} < 0$,则称矩阵$A$负定; \item $\bvec{x}\trans A \bvec{x} \leq 0$,则称矩阵$A$半负定; \end{enumerate} 如果$A$不满足以上任何一种条件,则称$A$不定。 \end{definition} \begin{proposition} 对实对称矩阵$A$,以下叙述等价: \begin{enumerate} \item $A$半正定; \item $A$的特征值都是非负数; \item 存在矩阵$T$,使得$A = TT\trans$; \item $A$存在$LDL\trans$分解,且$D$的对角元素都是非负数。 \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proposition} 对$n$阶实对称矩阵$A$,如果存在$\bvec{x}, \bvec{y} \in \realnum^n$,使得$\bvec{x}\trans A \bvec{x} > 0, \bvec{y}\trans A \bvec{y} < 0$,则存在非零向量$\bvec{z} \in \realnum^n$,使得$\bvec{z}\trans A\bvec{z} = 0$。 \end{proposition} \begin{definition}[合同] 对方阵$A$,如果存在可逆矩阵$X$使得$X\trans A X = B$,则称$A$和$B$合同,或$A$合同于$B$。 \end{definition} \begin{proposition} 方阵的合同关系是等价关系。 \end{proposition} \begin{proposition} 对实对称矩阵$A$,存在可逆矩阵$X$,使得$X\trans AX = J = \begin{bmatrix} I_p & & \\ & -I_{r-p} &\\ & & O \end{bmatrix}$, 其中$r = \rank(A), 0 \leq p \leq r$。 $J$称为实对称矩阵$A$的合同标准形。 \end{proposition} \begin{theorem}[Sylvester惯性定律] 实对称矩阵的合同标准形唯一,且它的合同标准形中正、负、零对角元的个数分别和它的正、负、零特征值的个数相等。 \end{theorem} \section{奇异值分解} 如果不加特别说明,本节中的矩阵都是实矩阵。 \subsection{基本概念} \begin{definition}[奇异值] 给定$m \times n$矩阵$A$,如果存在非零向量$\bvec{x} \in \realnum^n, \bvec{y} \in \realnum^m, \sigma \geq 0$,使得$A\bvec{x} = \sigma \bvec{y}, A\trans \bvec{y} = \sigma \bvec{x}$,则称$\sigma$为$A$的一个奇异值,$\bvec{x}$为$A$的属于$\sigma$的一个右奇异向量,$\bvec{y}$为$A$的属于$\sigma$的一个左奇异向量。 \end{definition} \begin{theorem}[奇异值分解] 给定$m \times n$矩阵$A$,存在$m$阶正交矩阵$U$和$n$阶正交矩阵$V$,使得$A = U\Sigma V\trans$,其中 \[\Sigma = \begin{bmatrix} \Sigma_r & O\\ O & O \end{bmatrix}, \Sigma_r = \begin{bmatrix} \sigma_1 & & & \\ & \sigma_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & \sigma_r \end{bmatrix}, \sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \dots \geq \sigma_r > 0\eqper\] 分解$A = U\Sigma V\trans$称为$A$的奇异值分解,简称SVD。 \end{theorem} 计算奇异值分解: \begin{example} 求$A$的奇异值。 \end{example} \begin{enumerate} \item 求$A\trans A$的谱分解$A\trans A = V \varLambda V\trans$。 \item 将$\varLambda$中的每个非零元素开根号得到$\Sigma_r$。注意$A\trans A$是半正定的,因此特征值都是非负数。将$\Sigma_r$的右侧和下侧补零使得它的尺寸和$A$相同,得到$\Sigma$。 \item 假设$\Sigma_r$只有$r$列。那么$V$的前$r$列我们记为$V_1$。计算$U_1 = AV_1 \Sigma_r\revmat$,再把$U_1$补成一组标准正交基$U$。 \item 这样得到$A = U\Sigma V\trans$。 \end{enumerate} \begin{proposition} 对$A$的奇异值分解$A = U\Sigma V\trans$,记 \(U = \begin{bmatrix} \bvec{u}_1 & \bvec{u}_2 & \cdots & \bvec{u}_m \end{bmatrix}, V = \begin{bmatrix} \bvec{v}_1 & \bvec{v}_2 & \cdots & \bvec{v}_n \end{bmatrix}\),则有: \begin{enumerate} \item $\bvec{u}_1, \bvec{u}_2, \dots, \bvec{u}_r$是$\columnspace{A}$的一组标准正交基; \item $\bvec{u}_{r+1}, \bvec{u}_{r+2}, \dots, \bvec{u}_m$是$\nullspace{A\trans}$的一组标准正交基; \item $\bvec{v}_1, \bvec{v}_2, \dots, \bvec{v}_r$是$\columnspace{A\trans}$的一组标准正交基; \item $\bvec{v}_{r+1}, \bvec{v}_{r+2}, \dots, \bvec{v}_n$是$\nullspace{A}$的一组标准正交基。 \end{enumerate} 记 \(U_r = \begin{bmatrix} \bvec{u}_1 & \bvec{u}_2 & \cdots & \bvec{u}_r \end{bmatrix}, V_r = \begin{bmatrix} \bvec{v}_1 & \bvec{v}_2 & \cdots & \bvec{v}_r \end{bmatrix}\), 则 \[A = U_r\Sigma_rV_r\trans\] 这称为$A$的简化奇异值分解。 \end{proposition} \begin{definition}[广义逆] 设$A$是$m \times n$矩阵。那么$A$的广义逆为满足下列性质的$B$。 \begin{enumerate} \item $ABA = A$; \item $BAB = B$; \item $(AB)\trans = AB$; \item $(BA)\trans = BA$。 \end{enumerate} 记$A^+ := B$。 \end{definition} \begin{theorem} $A$的广义逆$A^+$存在且唯一。 \end{theorem} \begin{remark} \begin{enumerate} \item $(A^+)^+ = A$; \item 若$A$为可逆矩阵,则$A\revmat = A^+$。 \end{enumerate} \end{remark} \begin{proposition} 设$A = U_r \Sigma_r V_r\trans$为$A$的简化奇异值分解。那么$A^+ = V_r \Sigma_r U_r\trans$为$A$的广义逆。 \end{proposition} \begin{definition}[矩阵的谱范数] 对任意矩阵$A$,非负数$\max \limits_{\bvec{x} \neq \bvec{0}} \dfrac{\norm{A\bvec{x}}}{\norm{\bvec{x}}}$称为矩阵$A$的谱范数,记为$\norm{A}$。 \end{definition} \begin{proposition} 矩阵的谱范数满足: \begin{enumerate} \item $\norm{A} \geq 0$,且$\norm{A} = 0$当且仅当$A = O$; \item $\norm{kA} = \abs{k}\norm{A}$; \item $\norm{A + B} \leq \norm{A} + \norm{B}$; \item $\norm{AB} \leq \norm{A}\norm{B}$; \item 如果$U,V$正交,则$\norm{UAV\trans} = \norm{A}$。 \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proposition} 对任意矩阵$A$,矩阵的谱范数$\norm{A}$等于$A$的最大奇异值。 \end{proposition} \begin{proposition} 设$m \times n$实矩阵$A$的奇异值为$\sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \dots \geq \sigma_n$,相应的右奇异向量为$\bvec{v}_1, \bvec{v}_2, \dots, \bvec{v}_n$,则 \[\sigma_1 = \max \limits_{\bvec{x} \neq \bvec{0}} \frac{\norm{A\bvec{x}}}{\bvec{x}}, \sigma_i = \max \limits_{\bvec{x} \neq 0, \bvec{x} \perp \matspan(\bvec{v}_1, \bvec{v}_2, \dots, \bvec{v}_{i - 1})} \frac{\norm{A\bvec{x}}}{\bvec{x}}, i = 2, \dots, n\] 类似地,有 \[\sigma_1 = \min \limits_{\bvec{x} \neq \bvec{0}} \frac{\norm{A\bvec{x}}}{\bvec{x}}, \sigma_i = \min \limits_{\bvec{x} \neq 0, \bvec{x} \perp \matspan(\bvec{v}_{i+1}, \dots, \bvec{v}_n)} \frac{\norm{A\bvec{x}}}{\bvec{x}}, i = 1, 2, \dots, n -1\] \end{proposition}