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Ch8 內積上算子
伴隨算子
定義
設 T:V→V 為 linear。若存在 T∗:V→V 為 linear,滿足 ⟨T(x),y⟩=⟨x,T∗(y)⟩,∀x,y∈V
稱 T∗ 為 T 之 adjoint operator
定理
設 T:V→V 為 linear,則 T 之 adjoint T∗ 存在唯一
Note
⟨x,T(y)⟩=⟨T(y),x⟩=⟨y,T∗(x)⟩=⟨T∗(x),y⟩
定理
設 T:V→V 為 linear,β 為 V 之一 orthonormal basis
則 [T∗]β=([T]β)H
定理
設 A∈Fn×n,且內積為 standard inner product,則
- ⟨Ax,y⟩=⟨x,AHy⟩
- ⟨x,Ay⟩=⟨AHx,y⟩
性質
設 T,U:V→V 為 linear,c,d∈F,則
- (T±U)∗=T∗±U∗
- (cT)∗=cˉT∗
- (cT±dU)∗=cˉT∗±dˉU∗
- T∗∗=T
- I∗=I
- (TU)∗=U∗T∗
- 若 T 可逆,則 T∗ 可逆,且 (T∗)−1=(T−1)∗
Note
λ∈Λ(T)⟹λˉ∈Λ(T∗)
正規算子
定義
- 設 T:V→V 為 linear,若 T∗T=TT∗
稱 T 為 normal operator
- 設 A∈Fn×n,若 AHA=AAH
稱 A 為 normal matrix
Lemma
設 T:V→V 為 normal,則
- ∥T(x)∥=∥T∗(x)∥,∀x∈V
- T−cI 為 normal,∀c∈F
- T(x)=λx⟹T∗(x)=λˉx
定理
設 T:V→V 為 normal,λ1,λ2∈Λ(T) 且 λ1=λ2。
若 x1,x2 分別為 T 相對於 λ1,λ2 之 eigenvector,則 x1⊥x2
六大算子
全部皆為 normal
| 名稱 |
定義 |
eigenvalue |
主對角項 |
行列式 |
λ1=λ2 對應之 eigenvectors x1,x2 |
T: self-adjoint A: Hermitian |
T∗=T AH=A |
λ∈R |
aii∈R |
det(A)∈R |
x1⊥x2 |
T: skew self-adjoint A: skew-Hermitian |
T∗=−T AH=−A |
λ=bi, b∈R |
aii=bi |
det(A)∈R if n is even det(A)=bi if n is odd |
x1⊥x2 |
T: positive definite A: 正定 |
⟨T(x),x⟩>0, ∀x=0 xHAx>0, ∀x=0 |
λ>0 |
aii>0 |
det(A)>0 |
x1⊥x2 |
T: positive semidefinite A: 半正定 |
⟨T(x),x⟩≥0, ∀x xHAx≥0, ∀x |
λ≥0 |
aii≥0 |
det(A)≥0 |
x1⊥x2 |
T: unitary A: 么正 |
T∗T=I AHA=I |
∣λ∣=1 |
未定 |
∣det(A)∣=1 |
x1⊥x2 |
T: orthogonal A: 正交 |
T∗T=I ATA=I |
∣λ∣=1 |
未定 |
det(A)=±1 |
x1⊥x2 |
定理
設 A∈Fn×n,AH=A,且 λ1,λ2∈Λ(A),λ1=λ2。若 x1,x2 為 A 相對於 λ1,λ2 之 eigenvectors,則 x1⊥x2
證明
由 Ax1=λ1x1,Ax2=λ2x2
且 λ1,λ2∈R,得 λ1⟨x1,x2⟩=⟨Ax1,x2⟩=⟨x1,AHx2⟩=⟨x1,Ax2⟩=λ2⟨x1,x2⟩
因 λ1=λ2,所以 ⟨x1,x2⟩=0
定理
設 A∈Rn×n,AT=A,則
- A 之 eigenvalues 皆為 real
- 相異 eigenvalues 對應之 eigenvectors 互相正交
Note
設 A∈Fn×n,則
A 為 unitary over C⟺AHA=I⟺A 的 columns 為 orthonormal⟺AAH=I⟺A 的 rows 為 orthonormal
A 為 orthogonal over R⟺ATA=I⟺A 的 columns 為 orthonormal⟺AAT=I⟺A 的 rows 為 orthonormal
定理
設 T:V→V 為 linear,V 為 complex inner product space,則下列等價:
- T 為
unitary
- T 保內積,即 ⟨T(x),T(y)⟩=⟨x,y⟩
- T 保長度,即 ∥T(x)∥=∥x∥
定理
設 A∈Rn×n,則下列等價:
- A 為
orthogonal
- A 保內積
- A 保長度
么正與正交對角化
Note
| 名稱 |
定義 |
| A,B∈Fn×n,A∼B |
存在可逆矩陣 P,使得 P−1AP=B |
| A,B∈Cn×n,A 酉相似於 B |
存在 unitary matrix P,使得 P−1AP=B |
| A,B∈Rn×n,A 正交相似於 B |
存在 orthogonal matrix P,使得 PTAP=B |
| A∈Fn×n,A 可對角化 |
A∼D,其中 D 為對角矩陣 |
| A∈Cn×n,A 可么正對角化 |
A 么正相似於 D,其中 D 為對角矩陣 |
| A∈Rn×n,A 可正交對角化 |
A 正交相似於 D,其中 D 為對角矩陣 |
定義
設 T:V→V 為 linear。若存在 V 之一 orthonormal basis β,使得 [T]β=D
其中 D 為對角矩陣,稱 T 可么正對角化或可正交對角化
Lemma
若 A 么正相似於 B,則
- A 為 normal ⟺B 為 normal
- AH=A⟺BH=B
- AH=−A⟺BH=−B
- A 為正定 ⟺B 為正定
- A 為半正定 ⟺B 為半正定
- A 為 unitary ⟺B 為 unitary
定理
- 設 A∈Cn×n,則 A 為 normal⟺A 可么正對角化
- 設 A∈Rn×n,則 AT=A⟺A 可正交對角化
正定及半正定
定義
設 A∈Fn×n,定義 QA(x)=xHAx
稱 QA 為 A 之 quadratic form
定理
設 A∈Fn×n,且 AH=A
則 A 為正定⟺λ>0,∀λ∈Λ(A)
Note
設 A∈Rn×n
令 B=2A+AT (對稱位置取平均)
則 BT=B,且 QA(x)=xTAx=xTBx
A 為正定⟺B 為正定A 為半正定⟺B 為半正定
Note
若 AT=A,則
- A 為正定 ⟺xTAx>0,∀x=0 ⟺λ>0,∀λ∈Λ(A)
- A 為半正定 ⟺xTAx≥0,∀x ⟺λ≥0,∀λ∈Λ(A)
- A 為 negative definite ⟺xTAx<0,∀x=0 ⟺λ<0,∀λ∈Λ(A)
- A 為 negative semidefinite ⟺xTAx≤0,∀x ⟺λ≤0,∀λ∈Λ(A)
- A 為
indefinite ⟺A 同時有正 eigenvalue 與負 eigenvalue
定理
設 A∈Rn×n,AT=A
則 A 為正定⟺Δk(A)>0,k=1,…,n
其中 Δk(A)=det(Ak)
Ak 為 A 之左上角 k×k submatrix
定理
設 A∈Rn×n,AT=A,則 A 為正定⟺A=LLT
其中 L 為下三角矩陣,且對角項皆為正。此分解稱為 Cholesky decomposition
定理
設 A∈Fn×n,
則 A 為正定⟺∃B∈Fm×n,rank(B)=n,A=BHB
定理
設 A∈Fn×n,
則 A 為半正定⟺∃B∈Fm×n,A=BHB
二次式之應用
定理
Principal Axis Theorem
設 A∈Fn×n,AH=A,則 QA(x)=xHAx=λ1∣y1∣2+⋯+λn∣yn∣2
其中 λ1,…,λn 為 A 之 eigenvalues,且 y=PHx / x=Py
證明
因 A 為 Hermitian,存在 unitary matrix P,使得 PHAP=D=diag(λ1,…,λn)
令 y=PHx,則 xHAx=xHPDPHx=yHDy=λ1∣y1∣2+⋯+λn∣yn∣2
定義
設 A∈Fn×n,AH=A。對任意 x=0,定義
PA(x)=∥x∥2QA(x)=xHxxHAx
稱 PA(x) 為 A 在 x 上之 Rayleigh quotient
定理
Rayleigh Principle:
設 A∈Fn×n,AH=A,且 λ1≤⋯≤λn,λi∈Λ(A)
則
- λ1≤PA(x)≤λn,∀x=0
- x=0minPA(x)=λ1=λmin(A)
- x=0maxPA(x)=λn=λmax(A)
Householder 轉換
定義
設 u∈Rn×1,且 ∥u∥=1。定義 H=I−2uuT
稱 H 為一個 Householder matrix
Note
設 H=I−2uuT,∥u∥=1,並令 U=span{u}。則 Λ(H)={−1,1},det(H)=−1
若 PH(t) split over F,則 PH(t)=(t+1)(t−1)n−1
- Hu=−u,故 E−1=U=span{u}
- 若 x∈U⊥,則 Hx=x,故 E1=U⊥
- 若 {x1,…,xn−1} 為 U⊥ 之一 basis,則 {u,x1,…,xn−1} 為 H 之 n 個 LI eigenvectors,因此 H 可對角化
Householder Like
定理
-
設 A,B∈Fn×n,且 PAB(t)、PBA(t) 皆 split over F
則 λ(AB)=λ(BA)
即 PAB(t)=PBA(t)
-
設 A∈Fm×n,B∈Fn×m,且 m≥n
則 PAB(t)=PBA(t)⋅tm−n
Note
設 A=I+xyT,則
- x 為 A 之 eigenvector,對應 eigenvalue 為 1+yTx
- 若 v⊥y,則 v 為 A 之 eigenvector,對應 eigenvalue 為 1
即 rank-one update 的 eigenvectors 包含左邊向量 x,以及所有與右邊向量 y 垂直之 vectors
Note
設 x,y∈Rn×1,∥x∥=∥y∥,且 x=y。
取 u=∥x−y∥x−y,H=I−2uuT
則 Hx=y
奇異值分解
定義
設 A∈Fm×n。若 A=UΣVH
其中 U∈Fm×m、V∈Fn×n 為 unitary matrices,則稱上式為 A 之 singular value decomposition (SVD)
Σ∈Fm×n 為 rectangular diagonal matrix。
令 r=rank(A)、p=min{m,n},則 σ1≥σ2≥⋯≥σr>0,σr+1=⋯=σp=0
其中 σ1,…,σp 稱為 A 之 singular values
定理
設 A∈Fm×n,則 A 可作 SVD
- 如果為扁矩陣,則求 AT 之
SVD,之後再轉置
範例
定義
設 A=UΣVH∈Fm×n 為 A 之 SVD。
定義 Σ+∈Fn×m 為將 Σ 所有非零 singular values 取倒數後,再轉置所得之 rectangular diagonal matrix:
Σ+=diag(σ11,…,σr1,0,…,0)
定義 A+=VΣ+UH
稱 A+ 為 A 之 pseudoinverse 或 generalized inverse
Note
- 若 A 可逆,則 A+=A−1
- (A+)+=A
- (AH)+=(A+)H
- 若 A 為 full column rank、B 為 full row rank
則 (AB)+=B+A+
定理
設 A∈Fm×n,x∈Fn×1,b∈Fm×1。
則 x0=A+b
為使 ∥Ax−b∥ 最小之 least squares solution,且在所有 least squares solutions 中,x0 之 2-norm 最小
Note
- 若 A 的 columns 為 LI,則 A+=(AHA)−1AH
- x0=(AHA)−1AHb
- x0=A+b
- 若 A 的 rows 為 LI,則 A+=AH(AAH)−1