降维（一）奇异值分解和svd的应用

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1、回顾特征值和特征向量
我们首先回顾下特征值和特征向量的定义如下：

										Ax=λx

其中A是一个n×n的实对称矩阵，x是一个n维向量，则我们说λ是矩阵A的一个特征值，而x是矩阵A的特征值λ所对应的特征向量。
　 求出特征值和特征向量有什么好处呢？ 就是我们可以将矩阵A特征分解。如果我们求出了矩阵A的n个特征值λ1≤λ2≤…≤λn,以及这n个特征值所对应的特征向量{w1,w2,…wn}，，如果这n个特征向量线性无关，那么矩阵A就可以用下式的特征分解表示：
　
其中W是这n个特征向量所张成的n×n维矩阵，而Σ为这n个特征值为主对角线的n×n维矩阵。

一般我们会把W的这n个特征向量标准化，即满足 $||w_i||^2=1$, 或者说 $w^T_iwi=1$，此时W的n个特征向量为标准正交基，满足 $W^TW=I$，即 $WT=W^{−1}$, 也就是说W为酉矩阵。
这样我们的特征分解表达式可以写成
$A=WΣW^T$
　注意到要进行特征分解，矩阵A必须为方阵。那么如果A不是方阵，即行和列不相同时，我们还可以对矩阵进行分解吗？答案是可以，此时我们的SVD登场了。
2、SVD的定义
SVD也是对矩阵进行分解，但是和特征分解不同，SVD并不要求要分解的矩阵为方阵。假设我们的矩阵A是一个m×n的矩阵，那么我们定义矩阵A的SVD为：
$A=UΣV^T$
其中U是一个m×m的矩阵，Σ是一个m×n的矩阵，除了主对角线上的元素以外全为0，主对角线上的每个元素都称为奇异值，V是一个n×n的矩阵。U和V都是酉矩阵，即满足 $U^TU=I,V^TV=I$。下图可以很形象的看出上面SVD的定义：

那么我们如何求出SVD分解后的U,Σ,V这三个矩阵呢？

如果我们将A的转置和A做矩阵乘法，那么会得到n×n的一个方阵 $A^TA$。既然 $A^TA$是方阵，那么我们就可以进行特征分解，得到的特征值和特征向量满足下式：
$(A^TA)v_i=λ_iv_i$
这样我们就可以得到矩阵ATA的n个特征值和对应的n个特征向量v了。将ATA的所有特征向量张成一个n×n的矩阵V，就是我们SVD公式里面的V矩阵了。一般我们将V中的每个特征向量叫做A的右奇异向量。
如果我们将A和A的转置做矩阵乘法，那么会得到m×m的一个方阵 $AA^T$。既然 $AA^T$是方阵，那么我们就可以进行特征分解，得到的特征值和特征向量满足下式：
$(AAT)ui=λ_iu_i$
这样我们就可以得到矩阵 $AA^T$的m个特征值和对应的m个特征向量u了。将AAT的所有特征向量张成一个m×m的矩阵U，就是我们SVD公式里面的U矩阵了。一般我们将U中的每个特征向量叫做A的左奇异向量。
U和V我们都求出来了，现在就剩下奇异值矩阵Σ没有求出了。由于Σ除了对角线上是奇异值其他位置都是0，那我们只需要求出每个奇异值σ就可以了。
我们注意到:
$A=UΣV^T⇒AV=UΣV^TV⇒AV=UΣ⇒Av_i=σ_iu_i⇒σ_i=Av_i/u_i$这样我们可以求出我们的每个奇异值，进而求出奇异值矩阵Σ。
上面还有一个问题没有讲，就是我们说ATA的特征向量组成的就是我们SVD中的V矩阵，而AAT的特征向量组成的就是我们SVD中的U矩阵，这有什么根据吗？这个其实很容易证明，我们以V矩阵的证明为例。
$A=UΣV^T⇒A^T=VΣ^TU^T⇒A^TA=VΣ^TU^TUΣV^T=VΣ^2V^T$
上式证明使用了: $U^TU=I,Σ^TΣ=Σ2$。可以看出ATA的特征向量组成的的确就是我们SVD中的V矩阵。类似的方法可以得到AAT的特征向量组成的就是我们SVD中的U矩阵。
(因为 $VΣ^2V^T$能够构成 $A^TA$，所以 $A^TA$特征向量组成的矩阵就是V。)
进一步我们还可以看出我们的特征值矩阵等于奇异值矩阵的平方，也就是说特征值和奇异值满足如下关系：
$σi=\sqrt{λ_i}$
这样也就是说，我们可以不用 $σ_i=Av_i/u_i$来计算奇异值，也可以通过求出ATA的特征值取平方根来求奇异值。
3、SVD计算举例