常见向量范数和矩阵范数及其MATLAB实现

1、向量范数

1-范数:,即向量元素绝对值之和,matlab调用函数norm(x, 1) 。

2-范数:,Euclid范数(欧几里得范数,常用计算向量长度),即向量元素绝对值的平方和再开方,matlab调用函数norm(x, 2)。

∞-范数:,即所有向量元素绝对值中的最大值,matlab调用函数norm(x, inf)。

-∞-范数:,即所有向量元素绝对值中的最小值,matlab调用函数norm(x, -inf)。

p-范数:,即向量元素绝对值的p次方和的1/p次幂,matlab调用函数norm(x, p)。

2、矩阵范数


1-范数:, 列和范数,即所有矩阵列向量绝对值之和的最大值,matlab调用函数norm(A, 1)。

2-范数:,谱范数,即A'A矩阵的最大特征值的开平方。matlab调用函数norm(x, 2)。

∞-范数:,行和范数,即所有矩阵行向量绝对值之和的最大值,matlab调用函数norm(A, inf)。

F-范数:,Frobenius范数,即矩阵元素绝对值的平方和再开平方,matlab调用函数norm(A, ’fro‘)。

下面是解释和理解。


1-范数(列和范数)

 


 
将矩阵沿列方向取绝对值求和,然后擢选出数值最大的那个值作为1-范数。 
比如:

A =
 
     1     2     3
     4     5     6
     7     8     9
 
>> norm_1 = norm(A,1)
 
norm_1 =
 
    18


第一列求和结果为:|1|+|4|+|7|=12 
第二列求和结果为:|2|+|5|+|8|=15 
第三列求和结果为:|3|+|6|+|9|=18 
里面最大的就是18,因此矩阵A的列和范数为18。

2-范数(最大特征值开方)


 


这一部分涉及到的我不懂的概念比较多,接下来一一说明。

2-1 共轭转置矩阵


指的是A的共轭转置矩阵,也有这个写法。如果A里面全是实数,那效果就与无二;如果A里面也有复数,则是先对A取共轭(各项实部不变,虚部取相反数),然后再转置,比如:

A =
 
   1.0000 + 0.0000i   0.0000 - 2.0000i
   3.0000 + 0.0000i   0.0000 - 4.0000i
 
>> A'
 
ans =
 
   1.0000 + 0.0000i   3.0000 + 0.0000i
   0.0000 + 2.0000i   0.0000 + 4.0000i

在matlab中A’的意思就是求共轭转置矩阵。

2-2 特征值
矩阵A的特征值被定义为: 
其中被称为“矩阵A的特征向量”,λ被称为“矩阵A的特征值”。 
在matlab中求解矩阵A的特征值方法如下:

A =
 
     1     2     3
     4     5     6
     7     8     9
 
>> [V,D] = eig(A)
 
V =
 
   -0.2320   -0.7858    0.4082
   -0.5253   -0.0868   -0.8165
   -0.8187    0.6123    0.4082
 
D =
 
   16.1168         0         0
         0   -1.1168         0
         0         0   -0.0000



矩阵V的每一列都是一个特征向量,D中对应列中的值即与该特征向量相匹配的特征值。以上例V、D第一列为例,此时特征值λ=16.1168,特征向量,用matlab作验证如下:

>> A = [1,2,3;4,5,6;7,8,9]
 
A =
 
     1     2     3
     4     5     6
     7     8     9
 
>> v = [-0.2320,-0.5253,-0.8187]'
v =
   -0.2320
   -0.5253
   -0.8187
>> lambda = 16.1168
lambda =
   16.1168
>> A * v
ans =
   -3.7387
   -8.4667
  -13.1947
>> lambda * v
ans =
   -3.7391
   -8.4662
  -13.1948


可知满足。

2-3 矩阵的2-范数


矩阵的2-范数即对矩阵最大特征值开方,如下:

>> [V,D] = eig(A'*A)
 
V =
 
   -0.4082   -0.7767    0.4797
    0.8165   -0.0757    0.5724
   -0.4082    0.6253    0.6651
 
D =
 
    0.0000         0         0
         0    1.1414         0
         0         0  283.8586
 
>> sqrt(283.8586)
 
ans =
 
   16.8481

(这里最大特征值为283.8586)

当然,matlab中也有更直接的计算矩阵2-范数的方法,如下:

>> norm_2 = norm(A,2)
norm_2 =
   16.8481


两种方法计算出的结果是一样的。

∞-范数(行和范数)


 


和1-范数(列和范数)类似,这里是沿行方向取绝对值求和,将最大的那个值作为矩阵的∞-范数。matlab代码如下:

>> A
 
A =
 
     1     2     3
     4     5     6
     7     8     9
 
>> norm(A,inf)
 
ans =
 
    24

第一行求和结果为:|1|+|2|+|3|=6 
第二行求和结果为:|4|+|5|+|6|=15 
第三行求和结果为:|7|+|8|+|9|=24 
里面最大的就是24,因此矩阵A的行和范数为24。

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