矩阵笔记4:矩阵分析(第三版)-史荣昌-第四章:矩阵分解


0 笔记说明

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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。博客主要分为两部分:【1 书本内容】与【2 听课笔记】,前者为对教材中重要定理、定义的整理,后者为自己在矩阵上课时的笔记的二次书面整理。根据自身学习需要,我可能会增加必要内容。

本篇博客是关于第四章的内容,下面开始即为正文。


1 书本内容

1.1 矩阵的满秩分解

1.2 矩阵的正交三角分解(UR、QR分解)

1、列满秩矩阵的QR分解:设A为复数域上的m×r阶矩阵,且rank(A)=r,即A是列满秩矩阵时,A可以唯一地分解为A=UR,其中U是m×r阶酉矩阵,rank(U)=r,R是r阶正线上三角阵。

2、行满秩矩阵的QR分解:设A为复数域上的r×n阶矩阵,且rank(A)=r,即A是行满秩矩阵时,A可以唯一地分解为A=LU,其中U是r×n阶酉矩阵,rank(U)=r,L是r阶正线下三角阵。

3、满秩矩阵的QR分解:设A是复数域上的满秩n阶方阵,则A可以唯一地分解为A=UR或A=R1U1。其中U、U1是n阶酉矩阵,R是正线上三角阵,R1是正线下三角阵,即R和R1的主对角线上的元素全是正的。

1.3 矩阵的奇异值分解

1、对于任何一个矩阵A都有:rank(AAH)=rank(AHA)=rank(A)=rank(AH)

2、若A是正规矩阵,则A的奇异值是A的非零特征值的模长。证明过程:对于正规矩阵A,存在酉矩阵U,满足:
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则:
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于是AAH的特征值为:
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即AAH的特征值为:λ1222,…,λn2,设λ12,…,λr是A的非零特征值,则A的奇异值为||λ1||,||λ2||,…,||λr||,得证。

1.4 矩阵的极分解

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。

1.5 矩阵的谱分解

由于时间问题,省略这一部分,以后用到才会补。


2 听课笔记

2.1 矩阵的满秩分解

1、矩阵的满秩分解:若A为复数域上的m×n阶矩阵,且rank(A)=r,则一定存在矩阵B、C,使得A=BC,其中B为复数域上的m×r阶矩阵,C为复数域上的r×n阶矩阵,且rank(B)=rank(C)=r,即B、C分别为列满秩、行满秩矩阵。证明过程如下:
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2、矩阵的满秩分解是不唯一的:举个栗子,矩阵A为:
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求A的满秩分解:
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2.2 矩阵的正交三角分解(UR、QR分解)

1、满秩矩阵的QR分解
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QR分解也称为正交三角分解、UR分解。

2、满秩方阵的QR分解定理:若A是复数域上的满秩方阵,则存在酉矩阵Q和正线上三角阵R,使得A=QR,且这样的分解是唯一的。存在性由上一条知识点可得出,下面证明分解是唯一的:
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3、使用矩阵的QR分解解方程组Ax=b
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2.3 矩阵的奇异值分解

奇异值分解:Singular Value Decomposition,以下简称SVD分解。

1、SVD分解定理:A为复数域上的m×n阶矩阵,rank(A)=r,一定存在m阶酉矩阵U和n阶酉矩阵V使得U-1AV为:
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其中σ1≥σ2≥…≥σr>0,其中σi=sqrt(λi(AHA)),指矩阵AHA的第i个非零特征值的正平方根,其中i=1,2,…,r。σ12,…,σr称为矩阵A的奇异值。证明过程如下:
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2、SVD分解求解过程:A为复数域上的m×n阶矩阵,则:
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3、奇异值的性质:A为复数域上的m×n阶矩阵,则:
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4、SVD分解的应用——图像压缩
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原本需要存储m×n个数据,现在只需要存储r(m+n+1)个数据。如果考虑到图像中的相邻行、相邻列可能线性相关,因此r<<m,r<<n,故r(m+n+1)<<m×n,这还是无损压缩。若取k≤r,则需要存储k(m+n+1)个数据,这是有损压缩。

2.4 矩阵的极分解

2.5 矩阵的谱分解


3 补充内容

3.1 LU分解

A为复数域上的n阶可逆方阵,则A有唯一的LU分解⇔A的各阶顺序主子式均不为0。A有LU分解是指:A=LU,其中L为n阶单位下三角阵,即L的主对角线上均为1,U为n阶上三角阵。可见矩阵的LU分解不一定存在。证明过程如下:
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下面证明A有唯一的LU分解:
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如果矩阵的LU分解存在,那LU分解怎么求呢?
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举个栗子:
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END

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