18.065 Lecture 6
这一讲的主题是Singular Value Decomposition (SVD)。
基本概念和性质
对于$A\in \mathbb R^{m\times n}$,奇异值分解的形式为
其中
由上述分解可得
即
另一方面,我们有
所以不难看出$v_i$为$A^TA$的特征向量,$u_i$为$AA^T$的特征向量。
证明
由半正定对称矩阵的正交分解可得
其中
下面先证明$\Lambda_1 ,\Lambda_2$的正对角元相同:
由(1)可得
左乘$A$得到
所以$\lambda_{1i}$是$AA^T$的特征值,对应的特征向量为$Av_i$;同理可得$\lambda_{2i}$是$A^TA$的特征值,对应的特征向量为$A u_i$。因此$\Lambda_1 ,\Lambda_2$的正对角元相同,不妨记为
注意到由之前讨论可得
以及
都是$AA^T $的非零特征值对应的特征向量,所以我们有
取模可得
所以可以取
因此
另一方面,由之前讨论可得
记
将$U$重新记为
那么将上述结论写成矩阵形式可得
因此得到奇异值分解。
理解
奇异值分解告诉我们每个线性变换$A$可以表达为正交变换$V^T$,伸缩变换$\Sigma$和正交变换$U$的复合。
习题
1
由$S$为对称矩阵可得
其中
记
那么
首先有
6
因为
所以
求解
得到
因此
求$AA^T$的特征向量得到
所以
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ValineLivere