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Ch8 內積上算子

伴隨算子

定義

T:VVT:V\to V 為 linear。若存在 T:VVT^*:V\to V 為 linear,滿足 T(x),y=x,T(y),x,yV\langle T(\vec{x}),\vec{y}\rangle=\langle\vec{x},T^*(\vec{y})\rangle, \forall\vec{x},\vec{y}\in V
TT^*TTadjoint operator

定理

T:VVT:V\to V 為 linear,則 TTadjoint TT^* 存在唯一

Note

x,T(y)=T(y),x=y,T(x)=T(x),y\langle\vec{x},T(\vec{y})\rangle=\overline{\langle T(\vec{y}),\vec{x}\rangle}=\overline{\langle\vec{y},T^*(\vec{x})\rangle}=\langle T^*(\vec{x}),\vec{y}\rangle

定理

T:VVT:V\to V 為 linear,β\betaVV 之一 orthonormal basis
[T]β=([T]β)H[T^*]_\beta=([T]_\beta)^H

定理

AFn×nA\in F^{n\times n},且內積為 standard inner product,則

  • Ax,y=x,AHy\langle A\vec{x},\vec{y}\rangle=\langle\vec{x},A^H\vec{y}\rangle
  • x,Ay=AHx,y\langle\vec{x},A\vec{y}\rangle=\langle A^H\vec{x},\vec{y}\rangle
性質

T,U:VVT,U:V\to V 為 linear,c,dFc,d\in F,則

  • (T±U)=T±U(T\pm U)^*=T^*\pm U^*
  • (cT)=cˉT(cT)^*=\bar{c}T^*
  • (cT±dU)=cˉT±dˉU(cT\pm dU)^*=\bar{c}T^*\pm\bar{d}U^*
  • T=TT^{**}=T
  • I=II^*=I
  • (TU)=UT(TU)^*=U^*T^*
  • TT 可逆,則 TT^* 可逆,且 (T)1=(T1)(T^*)^{-1}=(T^{-1})^*
Note

λΛ(T)λˉΛ(T)\lambda\in\Lambda(T)\Longrightarrow\bar{\lambda}\in\Lambda(T^*)

正規算子

定義
  • T:VVT:V\to V 為 linear,若 TT=TTT^*T=TT^*
    TTnormal operator
  1. AFn×nA\in F^{n\times n},若 AHA=AAHA^HA=AA^H
    AAnormal matrix
Lemma

T:VVT:V\to Vnormal,則

  • T(x)=T(x)\lVert T(\vec{x})\rVert=\lVert T^*(\vec{x})\rVertxV\forall\vec{x}\in V
  • TcIT-cI 為 normal,cF\forall c\in F
  • T(x)=λxT(x)=λˉxT(\vec{x})=\lambda\vec{x}\Longrightarrow T^*(\vec{x})=\bar{\lambda}\vec{x}
定理

T:VVT:V\to Vnormalλ1,λ2Λ(T)\lambda_1,\lambda_2\in\Lambda(T)λ1λ2\lambda_1\ne\lambda_2
x1,x2\vec{x}_1,\vec{x}_2 分別為 TT 相對於 λ1,λ2\lambda_1,\lambda_2eigenvector,則 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2

六大算子

全部皆為 normal

名稱 定義 eigenvalue 主對角項 行列式 λ1λ2\lambda_1\ne\lambda_2 對應之 eigenvectors x1,x2\vec{x}_1,\vec{x}_2
TT: self-adjoint
AA: Hermitian
T=TT^*=T
AH=AA^H=A
λR\lambda\in\mathbb{R} aiiRa_{ii}\in\mathbb{R} det(A)R\det(A)\in\mathbb{R} x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
TT: skew self-adjoint
AA: skew-Hermitian
T=TT^*=-T
AH=AA^H=-A
λ=bi\lambda=bi, bRb\in\mathbb{R} aii=bia_{ii}=bi det(A)R\det(A)\in\mathbb{R} if nn is even
det(A)=bi\det(A)=bi if nn is odd
x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
TT: positive definite
AA: 正定
T(x),x>0\langle T(\vec{x}),\vec{x}\rangle>0, x0\forall\vec{x}\ne\vec{0}
xHAx>0\vec{x}^HA\vec{x}>0, x0\forall\vec{x}\ne\vec{0}
λ>0\lambda>0 aii>0a_{ii}>0 det(A)>0\det(A)>0 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
TT: positive semidefinite
AA: 半正定
T(x),x0\langle T(\vec{x}),\vec{x}\rangle\geq0, x\forall\vec{x}
xHAx0\vec{x}^HA\vec{x}\geq0, x\forall\vec{x}
λ0\lambda\geq0 aii0a_{ii}\geq0 det(A)0\det(A)\geq0 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
TT: unitary
AA: 么正
TT=IT^*T=I
AHA=IA^HA=I
λ=1\lvert\lambda\rvert=1 未定 det(A)=1\lvert\det(A)\rvert=1 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
TT: orthogonal
AA: 正交
TT=IT^*T=I
ATA=IA^TA=I
λ=1\lvert\lambda\rvert=1 未定 det(A)=±1\det(A)=\pm1 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2
定理

AFn×nA\in F^{n\times n}AH=AA^H=A,且 λ1,λ2Λ(A)\lambda_1,\lambda_2\in\Lambda(A)λ1λ2\lambda_1\ne\lambda_2。若 x1,x2\vec{x}_1,\vec{x}_2AA 相對於 λ1,λ2\lambda_1,\lambda_2 之 eigenvectors,則 x1x2\vec{x}_1\perp\vec{x}_2

證明

Ax1=λ1x1,Ax2=λ2x2A\vec{x}_1=\lambda_1\vec{x}_1, A\vec{x}_2=\lambda_2\vec{x}_2
λ1,λ2R\lambda_1,\lambda_2\in\mathbb{R},得 λ1x1,x2=Ax1,x2=x1,AHx2=x1,Ax2=λ2x1,x2\lambda_1\langle\vec{x}_1,\vec{x}_2\rangle=\langle A\vec{x}_1,\vec{x}_2\rangle=\langle\vec{x}_1,A^H\vec{x}_2\rangle=\langle\vec{x}_1,A\vec{x}_2\rangle=\lambda_2\langle\vec{x}_1,\vec{x}_2\rangle
λ1λ2\lambda_1\ne\lambda_2,所以 x1,x2=0\langle\vec{x}_1,\vec{x}_2\rangle=0

定理

ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n}AT=AA^T=A,則

  • AA 之 eigenvalues 皆為 real
  • 相異 eigenvalues 對應之 eigenvectors 互相正交
Note

AFn×nA\in F^{n\times n},則

A 為 unitary over CAHA=IA 的 columns 為 orthonormalAAH=IA 的 rows 為 orthonormal \begin{aligned} A\text{ 為 unitary over }\mathbb{C} &\Longleftrightarrow A^HA=I \Longleftrightarrow A\text{ 的 columns 為 orthonormal}\\ &\Longleftrightarrow AA^H=I \Longleftrightarrow A\text{ 的 rows 為 orthonormal} \end{aligned}

A 為 orthogonal over RATA=IA 的 columns 為 orthonormalAAT=IA 的 rows 為 orthonormal \begin{aligned} A\text{ 為 orthogonal over }\mathbb{R} &\Longleftrightarrow A^TA=I \Longleftrightarrow A\text{ 的 columns 為 orthonormal}\\ &\Longleftrightarrow AA^T=I \Longleftrightarrow A\text{ 的 rows 為 orthonormal} \end{aligned}

定理

T:VVT:V\to V 為 linear,VV 為 complex inner product space,則下列等價:

  • TTunitary
  • TT 保內積,即 T(x),T(y)=x,y\langle T(\vec{x}),T(\vec{y})\rangle=\langle\vec{x},\vec{y}\rangle
  • TT 保長度,即 T(x)=x\lVert T(\vec{x})\rVert=\lVert\vec{x}\rVert
定理

ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n},則下列等價:

  • AAorthogonal
  • AA 保內積
  • AA 保長度

么正與正交對角化

Note
名稱 定義
A,BFn×nA,B\in F^{n\times n}ABA\sim B 存在可逆矩陣 PP,使得 P1AP=BP^{-1}AP=B
A,BCn×nA,B\in\mathbb{C}^{n\times n}AA 酉相似於 BB 存在 unitary matrix PP,使得 P1AP=BP^{-1}AP=B
A,BRn×nA,B\in\mathbb{R}^{n\times n}AA 正交相似於 BB 存在 orthogonal matrix PP,使得 PTAP=BP^TAP=B
AFn×nA\in F^{n\times n}AA 可對角化 ADA\sim D,其中 DD 為對角矩陣
ACn×nA\in\mathbb{C}^{n\times n}AA 可么正對角化 AA 么正相似於 DD,其中 DD 為對角矩陣
ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n}AA 可正交對角化 AA 正交相似於 DD,其中 DD 為對角矩陣
定義

T:VVT:V\to V 為 linear。若存在 VV 之一 orthonormal basis β\beta,使得 [T]β=D[T]_\beta=D
其中 DD 為對角矩陣,稱 TT 可么正對角化或可正交對角化

Lemma

AA 么正相似於 BB,則

  • AA 為 normal B\Longleftrightarrow B 為 normal
  • AH=ABH=BA^H=A\Longleftrightarrow B^H=B
  • AH=ABH=BA^H=-A\Longleftrightarrow B^H=-B
  • AA 為正定 B\Longleftrightarrow B 為正定
  • AA 為半正定 B\Longleftrightarrow B 為半正定
  • AA 為 unitary B\Longleftrightarrow B 為 unitary
定理
  • ACn×nA\in\mathbb{C}^{n\times n},則 A 為 normalA 可么正對角化A\text{ 為 normal}\Longleftrightarrow A\text{ 可么正對角化}
  • ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n},則 AT=AA 可正交對角化A^T=A\Longleftrightarrow A\text{ 可正交對角化}

正定及半正定

定義

AFn×nA\in F^{n\times n},定義 QA(x)=xHAxQ_A(\vec{x})=\vec{x}^HA\vec{x}
QAQ_AAAquadratic form

定理

AFn×nA\in F^{n\times n},且 AH=AA^H=A
A 為正定λ>0,λΛ(A)A\text{ 為正定}\Longleftrightarrow \lambda>0, \forall\lambda\in\Lambda(A)

Note

ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n}
B=A+AT2B=\frac{A+A^T}{2} (對稱位置取平均)
BT=BB^T=B,且 QA(x)=xTAx=xTBxQ_A(\vec{x})=\vec{x}^TA\vec{x}=\vec{x}^TB\vec{x}
A 為正定B 為正定A 為半正定B 為半正定 A\text{ 為正定} \Longleftrightarrow B\text{ 為正定}\\ A\text{ 為半正定} \Longleftrightarrow B\text{ 為半正定}

Note

AT=AA^T=A,則

  • AA 為正定 xTAx>0\Longleftrightarrow \vec{x}^TA\vec{x}>0x0\forall\vec{x}\ne\vec{0} λ>0\Longleftrightarrow \lambda>0λΛ(A)\forall\lambda\in\Lambda(A)
  • AA 為半正定 xTAx0\Longleftrightarrow \vec{x}^TA\vec{x}\geq0x\forall\vec{x} λ0\Longleftrightarrow \lambda\geq0λΛ(A)\forall\lambda\in\Lambda(A)
  • AA 為 negative definite xTAx<0\Longleftrightarrow \vec{x}^TA\vec{x}<0x0\forall\vec{x}\ne\vec{0} λ<0\Longleftrightarrow \lambda<0λΛ(A)\forall\lambda\in\Lambda(A)
  • AA 為 negative semidefinite xTAx0\Longleftrightarrow \vec{x}^TA\vec{x}\leq0x\forall\vec{x} λ0\Longleftrightarrow \lambda\leq0λΛ(A)\forall\lambda\in\Lambda(A)
  • AAindefinite A\Longleftrightarrow A 同時有正 eigenvalue 與負 eigenvalue
定理

ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n}AT=AA^T=A
A 為正定Δk(A)>0,k=1,,nA\text{ 為正定}\Longleftrightarrow \Delta_k(A)>0, k=1,\ldots,n
其中 Δk(A)=det(Ak)\Delta_k(A)=\det(A_k)
AkA_kAA 之左上角 k×kk\times k submatrix


定理

ARn×nA\in\mathbb{R}^{n\times n}AT=AA^T=A,則 A 為正定A=LLTA\text{ 為正定}\Longleftrightarrow A=LL^T
其中 LL 為下三角矩陣,且對角項皆為正。此分解稱為 Cholesky decomposition

定理

AFn×nA\in F^{n\times n}
A 為正定BFm×n,rank(B)=n,A=BHBA\text{ 為正定}\Longleftrightarrow \exists B\in F^{m\times n}, \operatorname{rank}(B)=n, A=B^HB

定理

AFn×nA\in F^{n\times n}
A 為半正定BFm×n,A=BHBA\text{ 為半正定}\Longleftrightarrow \exists B\in F^{m\times n}, A=B^HB

二次式之應用

定理

Principal Axis Theorem

AFn×nA\in F^{n\times n}AH=AA^H=A,則 QA(x)=xHAx=λ1y12++λnyn2Q_A(\vec{x})=\vec{x}^HA\vec{x}=\lambda_1\lvert y_1\rvert^2+\cdots+\lambda_n\lvert y_n\rvert^2

其中 λ1,,λn\lambda_1,\ldots,\lambda_nAA 之 eigenvalues,且 y=PHx / x=Py\vec{y}=P^H\vec{x} \text{ / } \vec{x}=P\vec{y}

證明

AA 為 Hermitian,存在 unitary matrix PP,使得 PHAP=D=diag(λ1,,λn)P^HAP=D=\operatorname{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)

y=PHx\vec{y}=P^H\vec{x},則 xHAx=xHPDPHx=yHDy=λ1y12++λnyn2\vec{x}^HA\vec{x}=\vec{x}^HPDP^H\vec{x}=\vec{y}^HD\vec{y}=\lambda_1\lvert y_1\rvert^2+\cdots+\lambda_n\lvert y_n\rvert^2


定義

AFn×nA\in F^{n\times n}AH=AA^H=A。對任意 x0\vec{x}\ne\vec{0},定義

PA(x)=QA(x)x2=xHAxxHxP_A(\vec{x})=\frac{Q_A(\vec{x})}{\lVert\vec{x}\rVert^2}=\frac{\vec{x}^HA\vec{x}}{\vec{x}^H\vec{x}}

PA(x)P_A(\vec{x})AAx\vec{x} 上之 Rayleigh quotient

定理

Rayleigh Principle:
AFn×nA\in F^{n\times n}AH=AA^H=A,且 λ1λn,λiΛ(A)\lambda_1\leq\cdots\leq\lambda_n, \lambda_i\in\Lambda(A)

  • λ1PA(x)λn\lambda_1\leq P_A(\vec{x})\leq\lambda_nx0\forall\vec{x}\ne\vec{0}
  • minx0PA(x)=λ1=λmin(A)\displaystyle\min_{\vec{x}\ne\vec{0}}P_A(\vec{x})=\lambda_1=\lambda_{\min}(A)
  • maxx0PA(x)=λn=λmax(A)\displaystyle\max_{\vec{x}\ne\vec{0}}P_A(\vec{x})=\lambda_n=\lambda_{\max}(A)

Householder 轉換

定義

uRn×1\vec{u}\in\mathbb{R}^{n\times1},且 u=1\lVert\vec{u}\rVert=1。定義 H=I2uuTH=I-2\vec{u}\vec{u}^T
HH 為一個 Householder matrix

Note

H=I2uuTH=I-2\vec{u}\vec{u}^Tu=1\lVert\vec{u}\rVert=1,並令 U=span{u}U=\operatorname{span}\{\vec{u}\}。則 Λ(H)={1,1},det(H)=1\Lambda(H)=\{-1,1\}, \det(H)=-1
PH(t)P_H(t) split over FF,則 PH(t)=(t+1)(t1)n1P_H(t)=(t+1)(t-1)^{n-1}

  • Hu=uH\vec{u}=-\vec{u},故 E1=U=span{u}E_{-1}=U=\operatorname{span}\{\vec{u}\}
  • xU\vec{x}\in U^\perp,則 Hx=xH\vec{x}=\vec{x},故 E1=UE_1=U^\perp
  • {x1,,xn1}\{\vec{x}_1,\ldots,\vec{x}_{n-1}\}UU^\perp 之一 basis,則 {u,x1,,xn1}\{\vec{u},\vec{x}_1,\ldots,\vec{x}_{n-1}\}HHnn 個 LI eigenvectors,因此 HH 可對角化

Householder Like

定理
  • A,BFn×nA,B\in F^{n\times n},且 PAB(t)P_{AB}(t)PBA(t)P_{BA}(t) 皆 split over FF
    λ(AB)=λ(BA)\lambda(AB)=\lambda(BA)
    PAB(t)=PBA(t)P_{AB}(t)=P_{BA}(t)

  • AFm×nA\in F^{m\times n}BFn×mB\in F^{n\times m},且 mnm\geq n
    PAB(t)=PBA(t)tmnP_{AB}(t)=P_{BA}(t)\cdot t^{m-n}

Note

A=I+xyTA=I+\vec{x}\vec{y}^T,則

  • x\vec{x}AA 之 eigenvector,對應 eigenvalue 為 1+yTx1+\vec{y}^T\vec{x}
  • vy\vec{v}\perp\vec{y},則 v\vec{v}AA 之 eigenvector,對應 eigenvalue 為 11

即 rank-one update 的 eigenvectors 包含左邊向量 x\vec{x},以及所有與右邊向量 y\vec{y} 垂直之 vectors

Note

x,yRn×1\vec{x},\vec{y}\in\mathbb{R}^{n\times1}x=y\lVert\vec{x}\rVert=\lVert\vec{y}\rVert,且 xy\vec{x}\ne\vec{y}
u=xyxy,H=I2uuT\vec{u}=\frac{\vec{x}-\vec{y}}{\lVert\vec{x}-\vec{y}\rVert}, H=I-2\vec{u}\vec{u}^T
Hx=yH\vec{x}=\vec{y}

奇異值分解

定義

AFm×nA\in F^{m\times n}。若 A=UΣVHA=U\Sigma V^H
其中 UFm×mU\in F^{m\times m}VFn×nV\in F^{n\times n}unitary matrices,則稱上式為 AAsingular value decomposition (SVD)

ΣFm×n\Sigma\in F^{m\times n}rectangular diagonal matrix
r=rank(A)r=\operatorname{rank}(A)p=min{m,n}p=\min\{m,n\},則 σ1σ2σr>0,σr+1==σp=0\sigma_1\geq\sigma_2\geq\cdots\geq\sigma_r>0, \sigma_{r+1}=\cdots=\sigma_p=0
其中 σ1,,σp\sigma_1,\ldots,\sigma_p 稱為 AAsingular values

定理

AFm×nA\in F^{m\times n},則 AA 可作 SVD

  • 如果為扁矩陣,則求 ATA^TSVD,之後再轉置
範例
定義

A=UΣVHFm×nA=U\Sigma V^H\in F^{m\times n}AASVD
定義 Σ+Fn×m\Sigma^+\in F^{n\times m} 為將 Σ\Sigma 所有非零 singular values 取倒數後,再轉置所得之 rectangular diagonal matrix:

Σ+=diag(1σ1,,1σr,0,,0)\Sigma^+=\operatorname{diag}\left(\frac{1}{\sigma_1},\ldots,\frac{1}{\sigma_r},0,\ldots,0\right)

定義 A+=VΣ+UHA^+=V\Sigma^+U^H
A+A^+AApseudoinversegeneralized inverse

Note
  • AA 可逆,則 A+=A1A^+=A^{-1}
  • (A+)+=A(A^+)^+=A
  • (AH)+=(A+)H(A^H)^+=(A^+)^H
  • AA 為 full column rank、BB 為 full row rank
    (AB)+=B+A+(AB)^+=B^+A^+
定理

AFm×nA\in F^{m\times n}xFn×1\vec{x}\in F^{n\times1}bFm×1\vec{b}\in F^{m\times1}
x0=A+b\vec{x}_0=A^+\vec{b}
為使 Axb\lVert A\vec{x}-\vec{b}\rVert 最小之 least squares solution,且在所有 least squares solutions 中,x0\vec{x}_022-norm 最小

Note
  • AA 的 columns 為 LI,則 A+=(AHA)1AHA^+=(A^HA)^{-1}A^H
    • x0=(AHA)1AHb\vec{x}_0=(A^HA)^{-1}A^H\vec{b}
    • x0=A+b\vec{x}_0=A^+\vec{b}
  • AA 的 rows 為 LI,則 A+=AH(AAH)1A^+=A^H(AA^H)^{-1}