矩阵笔记5:矩阵分析(第三版)-史荣昌-第五章:范数、序列、级数


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本笔记主要是为了方便自己日后复习。由于未学习LaTeX,我会上传教材图片或者手写图片代替部分公式或内容。本博客是对教材中重要定理、定义的整理,根据自身学习需要,我可能会增加必要内容。

本篇博客是关于第五章的内容,下面开始即为正文。


1 向量范数

1、向量范数不唯一:向量(或矩阵)范数是向量(或矩阵)的数字特征,在某种意义上范数相当于实数和复数的绝对值。向量范数是比向量长度更一般的概念。引人一个内积运算后,向量长度是唯一的,但是一个向量可以有多个向量范数,只要它满足向量范数定义即可。

2、向量范数:设V是数域F(一般为实数域R或复数域C)上的线性空间,用||x||表示按照某个法则确定的与向量x对应的实数,且满足:

(1)非负性:当x≠0,||x||>0;当且仅当x=0时,||x||=0;

(2)齐次性:||kx||=|k|·||x||,其中k为数域F上的任意数;

(3)三角不等式:对于V中任何向量x、y,都有||x+y||≤||x||+||y||。

则称实数||x||是向量x的范数。由向量范数定义不难验证:

(1)||-x||=||x||;

(2)||x-y||≥|(||x||-||y||)|;

(3)||x+y||≥|(||x||-||y||)|。

3、Holder不等式:设p>1,q=p/(p-1),则:
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其中ak≥0,且bk≥0。

4、Minkowski不等式:对任何p≥1,有:
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5、向量x的p-范数:设向量x=(x1,x2,…,xn)T,对任意数p≥1,称:
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为向量x的p-范数。

6、常用p-范数

(1)1-范数
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(2)2-范数
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上式也称为欧氏范数

(3)∞-范数
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对于∞-范数,有:||x||=max|xi|,其中i=1,2,…,n。

7、在一个线性空间中,可以引进各种范数,按照不同法则规定的向量范数,其大小一般不等。例如对Rn中的向量x=(1,1,…,1)T,有:
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8、向量范数的等价性:虽然对于一个向量来说,不同的范数有不同的值,但是这些范数之间有着重要的关系。如在考虑向量序列收敛性时,它们就表现出明显的一致性,这种性质称为范数的等价性。设V是n维线性空间,||x||α和||x||β为任意两种向量范数(不限于p-范数),则总存在正数c1、c2,使得对于V中所有向量x,恒有:c1||x||β≤||x||α≤c2||x||β


2 矩阵范数

1、矩阵范数:对于任何一个矩阵A∈Cm×n,用||A||表示按照某个法则确定的与矩阵A对应的实数,且满足:

(1)非负性:当A≠0时,||A||>0;当且仅当A=0时,||A||=0;

(2)齐次性:||kA||=|k|·||A||,其中k为任意复数;

(3)三角不等式:对于任何两个同类型矩阵A、B,都有||A+B||≤||A||+||B||;

(4)矩阵乘法相容性:若A与B可乘,有||AB||≤||A||·||B||。

则称对应于A的这个实数||A||是矩阵A的矩阵范数

2、向量1-范数到矩阵范数的推广:对于矩阵A=(aij)∈Cm×n,||A||为:
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是矩阵范数,它是向量1-范数的形式推广。

3、Frobenius范数:对于矩阵A=(aij)∈Cm×n,规定||A||F为:
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称||A||F为矩阵A的Frobenius范数,这是向量范数中欧氏范数的形式推广。

4、Frobenius范数的性质:矩阵A∈Cm×n,有:

(1)若A=(α12,…,αn),则:
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(2)如下,其中λi(AHA)表示n阶方阵AHA的第i个特征值,tr(AHA)是AHA的迹:
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(3)对于任何m阶酉矩阵U与n阶酉矩阵V,都有等式:
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5、矩阵范数的等价性:若||A||α和||A||β为任意两种矩阵范数,则总存在正数c1、c2,使得对于所有矩阵A∈Cm×n,恒有:c1||A||β≤||A||α≤c2||A||β


3 诱导范数(算子范数)

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。


4 矩阵序列与极限

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。


5 矩阵幂级数

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。


6 矩阵的测度

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。


END

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