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高等代数ex

专题 1:向量范数与矩阵范数 (Vector and Matrix Norms)#

1.1 基本定义#

  •   向量范数 (Vector Norm):定义在实向量空间 Rm\mathbb{R}^m 上的实值函数 ∥⋅∥\|\cdot\|,满足:

    1.  非负性与唯一性:∥v⃗∥≥0\|\vec{v}\| \geq 0 且 ∥v⃗∥=0  ⟺  v⃗=0⃗\|\vec{v}\| = 0 \iff \vec{v} = \vec{0}。

    2.  齐次性:∥αv⃗∥=∣α∣∥v⃗∥,∀α∈R\|\alpha \vec{v}\| = |\alpha| \|\vec{v}\|, \forall \alpha \in \mathbb{R}。

    3.  三角不等式:∥v⃗+u⃗∥≤∥v⃗∥+∥u⃗∥\|\vec{v} + \vec{u}\| \leq \|\vec{v}\| + \|\vec{u}\|。

  •   常用向量范数:

    *   ℓ1\ell_1 范数:∥v⃗∥1=∑i=1m∣vi∣\|\vec{v}\|_1 = \sum_{i=1}^m |v_i|

    *   ℓ2\ell_2 范数(欧氏范数):∥v⃗∥2=∑i=1m∣vi∣2\|\vec{v}\|_2 = \sqrt{\sum_{i=1}^m |v_i|^2}

    *   ℓ∞\ell_\infty 范数:∥v⃗∥∞=max⁡1≤i≤m∣vi∣\|\vec{v}\|_\infty = \max_{1 \leq i \leq m} |v_i|

  •   诱导矩阵范数 (Induced Matrix Norm):由特定的向量范数诱导得出:

    ∥A∥=max⁡∥v⃗∥=1∥Av⃗∥\|A\| = \max_{\|\vec{v}\|=1} \|A\vec{v}\|

    *   最大列和范数(11-范数):∥A∥1=max⁡1≤j≤n∑i=1m∣aij∣\|A\|_1 = \max_{1 \leq j \leq n} \sum_{i=1}^m |a_{ij}|

    *   最大行和范数(∞\infty-范数):∥A∥∞=max⁡1≤i≤m∑j=1n∣aij∣\|A\|_\infty = \max_{1 \leq i \leq m} \sum_{j=1}^n |a_{ij}|

    *   谱范数(22-范数):∥A∥2=max⁡∥v⃗∥2=1∥Av⃗∥2=λmax⁡(ATA)=σmax⁡(A)\|A\|_2 = \max_{\|\vec{v}\|_2 = 1} \|A\vec{v}\|_2 = \sqrt{\lambda_{\max}(A^T A)} = \sigma_{\max}(A)

  •   Frobenius 范数 (F-范数):∥A∥F=∑i=1m∑j=1n∣aij∣2=tr(ATA)\|A\|_F = \sqrt{\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n |a_{ij}|^2} = \sqrt{\text{tr}(A^T A)}。

  •   核范数 (Nuclear Norm):∥A∥∗=∑i=1rσi\|A\|_* = \sum_{i=1}^r \sigma_i,其中 σi\sigma_i 为 AA 的奇异值。


1.2 核心定理与证明#

定理 1.1 (Cauchy-Schwarz 不等式)#

对于任意 x,y∈Rnx, y \in \mathbb{R}^n,满足:

∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥2∥y∥2|\langle x, y \rangle| \leq \|x\|_2 \|y\|_2

【证明】#

若 y=0y = 0,不等式显然成立。设 y≠0y \neq 0,对于任意实数 t∈Rt \in \mathbb{R},考察二次非负实值函数 ϕ(t)=∥x−ty∥22\phi(t) = \|x - ty\|_2^2:

ϕ(t)=⟨x−ty,x−ty⟩=∥x∥22−2t⟨x,y⟩+t2∥y∥22≥0\phi(t) = \langle x - ty, x - ty \rangle = \|x\|_2^2 - 2t\langle x, y \rangle + t^2 \|y\|_2^2 \geq 0

这是一个关于 tt 的二次实系数多项式。由于其对所有 t∈Rt \in \mathbb{R} 恒非负,其判别式 Δ\Delta 必须满足 Δ≤0\Delta \leq 0:

Δ=(−2⟨x,y⟩)2−4∥y∥22∥x∥22=4(⟨x,y⟩2−∥x∥22∥y∥22)≤0\Delta = (-2\langle x, y \rangle)^2 - 4\|y\|_2^2 \|x\|_2^2 = 4\left( \langle x, y \rangle^2 - \|x\|_2^2 \|y\|_2^2 \right) \leq 0

由此可得:

⟨x,y⟩2≤∥x∥22∥y∥22\langle x, y \rangle^2 \leq \|x\|_2^2 \|y\|_2^2

两端开平方根,即证:

∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥2∥y∥2□|\langle x, y \rangle| \leq \|x\|_2 \|y\|_2 \quad \square


1.3 关键性质与证明#

性质 1.2 (谱范数与行列和范数的关系) (习题 4)#

对任意矩阵 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n},谱范数满足以下不等式:

∥A∥2≤∥A∥1∥A∥∞\|A\|_2 \leq \sqrt{\|A\|_1 \|A\|_\infty}

【证明】#

由于 ATAA^T A 是对称半正定矩阵,其谱半径 ρ(ATA)\rho(A^T A) 等于其最大特征值 λmax⁡(ATA)\lambda_{\max}(A^T A):

∥A∥22=λmax⁡(ATA)=ρ(ATA)\|A\|_2^2 = \lambda_{\max}(A^T A) = \rho(A^T A)

由于任何矩阵的谱半径不大于其任意一种诱导矩阵范数,我们选择列和范数(11-范数):

∥A∥22=ρ(ATA)≤∥ATA∥1\|A\|_2^2 = \rho(A^T A) \leq \|A^T A\|_1

由于诱导矩阵范数具有次可乘性,且 ∥AT∥1=∥A∥∞\|A^T\|_1 = \|A\|_\infty,故:

∥ATA∥1≤∥AT∥1∥A∥1=∥A∥∞∥A∥1\|A^T A\|_1 \leq \|A^T\|_1 \|A\|_1 = \|A\|_\infty \|A\|_1

因此,

∥A∥22≤∥A∥1∥A∥∞\|A\|_2^2 \leq \|A\|_1 \|A\|_\infty

两端开平方根即得:

∥A∥2≤∥A∥1∥A∥∞□\|A\|_2 \leq \sqrt{\|A\|_1 \|A\|_\infty} \quad \square

性质 1.3 (秩 1 矩阵的范数) (习题 5)#

设 A=uvTA = \mathbf{u}\mathbf{v}^T,其中 u∈Rm,v∈Rn\mathbf{u} \in \mathbb{R}^m, \mathbf{v} \in \mathbb{R}^n,则有 rank(A)=1\text{rank}(A) = 1,且 ∥A∥2=∥A∥F=∥u∥2∥v∥2\|A\|_2 = \|A\|_F = \|\mathbf{u}\|_2 \|\mathbf{v}\|_2。

【证明】#

首先计算 ATAA^T A:

ATA=(uvT)T(uvT)=vuTuvT=(uTu)vvT=∥u∥22vvTA^T A = (\mathbf{u}\mathbf{v}^T)^T (\mathbf{u}\mathbf{v}^T) = \mathbf{v}\mathbf{u}^T \mathbf{u}\mathbf{v}^T = (\mathbf{u}^T \mathbf{u}) \mathbf{v}\mathbf{v}^T = \|\mathbf{u}\|_2^2 \mathbf{v}\mathbf{v}^T

由于 vvT\mathbf{v}\mathbf{v}^T 是秩为 1 的对称矩阵,其唯一非零特征值为其迹 tr(vvT)=∥v∥22\text{tr}(\mathbf{v}\mathbf{v}^T) = \|\mathbf{v}\|_2^2。

因此,ATAA^T A 的最大特征值为:

λmax⁡(ATA)=∥u∥22⋅∥v∥22\lambda_{\max}(A^T A) = \|\mathbf{u}\|_2^2 \cdot \|\mathbf{v}\|_2^2

从而谱范数为:

∥A∥2=λmax⁡(ATA)=∥u∥2∥v∥2\|A\|_2 = \sqrt{\lambda_{\max}(A^T A)} = \|\mathbf{u}\|_2 \|\mathbf{v}\|_2

接着计算 F-范数:

∥A∥F2=tr(ATA)=tr(∥u∥22vvT)=∥u∥22tr(vvT)=∥u∥22∥v∥22\|A\|_F^2 = \text{tr}(A^T A) = \text{tr}(\|\mathbf{u}\|_2^2 \mathbf{v}\mathbf{v}^T) = \|\mathbf{u}\|_2^2 \text{tr}(\mathbf{v}\mathbf{v}^T) = \|\mathbf{u}\|_2^2 \|\mathbf{v}\|_2^2

开根号即得:

∥A∥F=∥u∥2∥v∥2□\|A\|_F = \|\mathbf{u}\|_2 \|\mathbf{v}\|_2 \quad \square

性质 1.4 (正交不变性) (习题 32)#

设 Q∈Rm×mQ \in \mathbb{R}^{m \times m} 与 P∈Rn×nP \in \mathbb{R}^{n \times n} 均为正交矩阵,则对任意 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n},满足:

∥QAP∥2=∥A∥2,∥QAP∥F=∥A∥F\|QAP\|_2 = \|A\|_2, \quad \|QAP\|_F = \|A\|_F

【证明】#
  1.  谱范数:

    由于正交变换保持向量的 22-范数不变(即若 PTP=IP^T P = I,则对任意 y⃗\vec{y} 有 ∥Py⃗∥2=∥y⃗∥2\|P\vec{y}\|_2 = \|\vec{y}\|_2),可得:

    ∥QAP∥2=max⁡∥x⃗∥2=1∥QAPx⃗∥2\|QAP\|_2 = \max_{\|\vec{x}\|_2=1} \|QAP\vec{x}\|_2

    令 y⃗=Px⃗\vec{y} = P\vec{x}。由于 PP 是正交矩阵,当 ∥x⃗∥2=1\|\vec{x}\|_2 = 1 时,∥Px⃗∥2=∥y⃗∥2=1\|P\vec{x}\|_2 = \|\vec{y}\|_2 = 1。且由 QQ 的正交性知 ∥Q(APx⃗)∥2=∥APx⃗∥2\|Q(AP\vec{x})\|_2 = \|AP\vec{x}\|_2,故:

    ∥QAP∥2=max⁡∥y⃗∥2=1∥Ay⃗∥2=∥A∥2\|QAP\|_2 = \max_{\|\vec{y}\|_2=1} \|A\vec{y}\|_2 = \|A\|_2

  1.  Frobenius 范数:

    利用迹性质 tr(XY)=tr(YX)\text{tr}(XY) = \text{tr}(YX) 以及正交矩阵性质 QTQ=Im,PPT=InQ^T Q = I_m, P P^T = I_n:

    ∥QAP∥F2=tr((QAP)T(QAP))=tr(PTATQTQAP)=tr(PTATAP)\|QAP\|_F^2 = \text{tr}\left( (QAP)^T (QAP) \right) = \text{tr}\left( P^T A^T Q^T Q A P \right) = \text{tr}\left( P^T A^T A P \right)

    利用循环排列不变性:

    tr(PTATAP)=tr(PPTATA)=tr(ATA)=∥A∥F2\text{tr}\left( P^T A^T A P \right) = \text{tr}\left( P P^T A^T A \right) = \text{tr}\left( A^T A \right) = \|A\|_F^2

    两端开平方根,即证 ∥QAP∥F=∥A∥F□\|QAP\|_F = \|A\|_F \quad \square


专题 2:奇异值分解与低秩逼近 (SVD and Low-Rank Approximation)#

2.1 定义与定理#

  •   定理 2.1 (SVD 定理):对任意 A∈Rn×mA \in \mathbb{R}^{n \times m},存在正交阵 U∈Rn×nU \in \mathbb{R}^{n \times n} 和 V∈Rm×mV \in \mathbb{R}^{m \times m},使得:

    A=UΣVTA = U \Sigma V^T

    其中 Σ∈Rn×m\Sigma \in \mathbb{R}^{n \times m} 的前 rr 个对角元素为 σ1≥σ2≥⋯≥σr>0\sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \dots \geq \sigma_r > 0,其余部分为零。


2.2 低秩逼近定理与证明#

定理 2.2 (Eckhart-Young 定理) (习题 15)#

设 A∈Rn×mA \in \mathbb{R}^{n \times m} 的奇异值分解为 A=∑i=1rσiu⃗iv⃗iTA = \sum_{i=1}^r \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^T。令 k<rk < r,定义 Ak=∑i=1kσiu⃗iv⃗iTA_k = \sum_{i=1}^k \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^T。则:

min⁡rank(B)≤k∥A−B∥2=∥A−Ak∥2=σk+1\min_{\text{rank}(B) \leq k} \|A - B\|_2 = \|A - A_k\|_2 = \sigma_{k+1}

【证明】#

首先,显然有 rank(Ak)=k\text{rank}(A_k) = k,且:

A−Ak=∑i=k+1rσiu⃗iv⃗iTA - A_k = \sum_{i=k+1}^r \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^T

其最大奇异值为 σk+1\sigma_{k+1},因此 ∥A−Ak∥2=σk+1\|A - A_k\|_2 = \sigma_{k+1}。

现在证明对于任何满足 rank(B)≤k\text{rank}(B) \leq k 的矩阵 BB,均有 ∥A−B∥2≥σk+1\|A - B\|_2 \geq \sigma_{k+1}。

由于 rank(B)≤k\text{rank}(B) \leq k,其零空间 Null(B)\text{Null}(B) 的维数满足:

dim⁡(Null(B))=m−rank(B)≥m−k\dim(\text{Null}(B)) = m - \text{rank}(B) \geq m - k

令 Vk+1=span{v⃗1,…,v⃗k+1}V_{k+1} = \text{span}\{\vec{v}_1, \dots, \vec{v}_{k+1}\},则 dim⁡(Vk+1)=k+1\dim(V_{k+1}) = k + 1。

根据维数公式,两个子空间的交集满足:

dim⁡(Null(B)∩Vk+1)=dim⁡(Null(B))+dim⁡(Vk+1)−dim⁡(Null(B)+Vk+1)\dim\left( \text{Null}(B) \cap V_{k+1} \right) = \dim(\text{Null}(B)) + \dim(V_{k+1}) - \dim\left( \text{Null}(B) + V_{k+1} \right)

由于整个空间维度为 mm,故 dim⁡(Null(B)+Vk+1)≤m\dim\left( \text{Null}(B) + V_{k+1} \right) \leq m。从而:

dim⁡(Null(B)∩Vk+1)≥(m−k)+(k+1)−m=1\dim\left( \text{Null}(B) \cap V_{k+1} \right) \geq (m - k) + (k + 1) - m = 1

说明存在一个非零单位向量 z⃗∈Null(B)∩Vk+1\vec{z} \in \text{Null}(B) \cap V_{k+1} 且 ∥z⃗∥2=1\|\vec{z}\|_2 = 1。

因为 z⃗∈Vk+1\vec{z} \in V_{k+1},它可以表示为 z⃗=∑i=1k+1civ⃗i\vec{z} = \sum_{i=1}^{k+1} c_i \vec{v}_i,且 ∑i=1k+1ci2=1\sum_{i=1}^{k+1} c_i^2 = 1。

因为 z⃗∈Null(B)\vec{z} \in \text{Null}(B),故 Bz⃗=0⃗B\vec{z} = \vec{0}。

因此:

∥A−B∥22≥∥(A−B)z⃗∥22=∥Az⃗∥22=∥∑i=1k+1ciAv⃗i∥22=∥∑i=1k+1ciσiu⃗i∥22\|A - B\|_2^2 \geq \|(A - B)\vec{z}\|_2^2 = \|A\vec{z}\|_2^2 = \left\| \sum_{i=1}^{k+1} c_i A\vec{v}_i \right\|_2^2 = \left\| \sum_{i=1}^{k+1} c_i \sigma_i \vec{u}_i \right\|_2^2

由于 u⃗i\vec{u}_i 是标准正交向量组,上式展开为:

∑i=1k+1ci2σi2≥σk+12∑i=1k+1ci2=σk+12\sum_{i=1}^{k+1} c_i^2 \sigma_i^2 \geq \sigma_{k+1}^2 \sum_{i=1}^{k+1} c_i^2 = \sigma_{k+1}^2

两端开根号即得:

∥A−B∥2≥σk+1□\|A - B\|_2 \geq \sigma_{k+1} \quad \square


专题 3:实矩阵微分与梯度理论 (Matrix Differentials and Gradients)#

3.1 矩阵梯度定义与万能迹公式#

  •   矩阵梯度定义:对标量函数 f(X):Rm×n→Rf(X): \mathbb{R}^{m \times n} \to \mathbb{R},

    [∇Xf(X)]ij=∂f∂Xij[\nabla_X f(X)]_{ij} = \frac{\partial f}{\partial X_{ij}}

  •   全微分的迹形式 (万能迹公式):

    df=∑i=1m∑j=1n∂f∂XijdXij=tr((∇Xf(X))TdX)df = \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n \frac{\partial f}{\partial X_{ij}} dX_{ij} = \text{tr}\left( (\nabla_X f(X))^T dX \right)

    若通过微分性质将标量微分化为 df=tr(MdX)df = \text{tr}(M dX) 的形式,则梯度为:

    ∇Xf(X)=MT\nabla_X f(X) = M^T


3.2 矩阵逆微分定理与证明#

定理 3.1 (矩阵逆的微分)#

若 X∈Rn×nX \in \mathbb{R}^{n \times n} 为非奇异矩阵,则:

d(X−1)=−X−1(dX)X−1d(X^{-1}) = -X^{-1} (dX) X^{-1}

【证明】#

由于 XX−1=IX X^{-1} = I,在恒等式两端施加微分算子 dd,并利用乘积的莱布尼茨法则:

d(XX−1)=d(I)=0d(X X^{-1}) = d(I) = 0

(dX)X−1+Xd(X−1)=0(dX) X^{-1} + X d(X^{-1}) = 0

整理可得:

Xd(X−1)=−(dX)X−1X d(X^{-1}) = -(dX) X^{-1}

由于 XX 可逆,两端左乘 X−1X^{-1} 即证:

d(X−1)=−X−1(dX)X−1□d(X^{-1}) = -X^{-1} (dX) X^{-1} \quad \square


3.3 典型梯度公式推导#

1. 导数公式:∇x(xTAx)=(A+AT)x\nabla_{\mathbf{x}}(\mathbf{x}^T A \mathbf{x}) = (A + A^T)\mathbf{x}#

【证明】#

设标量函数 f(x)=xTAxf(\mathbf{x}) = \mathbf{x}^T A \mathbf{x}。对其施加微分:

df=d(xTAx)=(dx)TAx+xTA(dx)df = d(\mathbf{x}^T A \mathbf{x}) = (d\mathbf{x})^T A \mathbf{x} + \mathbf{x}^T A (d\mathbf{x})

由于 (dx)TAx(d\mathbf{x})^T A \mathbf{x} 是一个实数标量,其转置等于自身:

(dx)TAx=((dx)TAx)T=xTATdx(d\mathbf{x})^T A \mathbf{x} = \left((d\mathbf{x})^T A \mathbf{x}\right)^T = \mathbf{x}^T A^T d\mathbf{x}

代入微分式得:

df=xTATdx+xTAdx=xT(A+AT)dx=((A+AT)x)Tdxdf = \mathbf{x}^T A^T d\mathbf{x} + \mathbf{x}^T A d\mathbf{x} = \mathbf{x}^T (A + A^T) d\mathbf{x} = \left((A+A^T)\mathbf{x}\right)^T d\mathbf{x}

对照向量全微分与梯度的关系 df=(∇xf)Tdxdf = (\nabla_{\mathbf{x}} f)^T d\mathbf{x},即得:

∇x(xTAx)=(A+AT)x□\nabla_{\mathbf{x}}(\mathbf{x}^T A \mathbf{x}) = (A + A^T)\mathbf{x} \quad \square

2. 导数公式:∇Xtr(AX−1B)=−X−TATBTX−T\nabla_X \text{tr}(AX^{-1}B) = -X^{-T} A^T B^T X^{-T}#

【证明】#

对标量函数 f(X)=tr(AX−1B)f(X) = \text{tr}(AX^{-1}B) 施加微分,并利用迹的线性性质:

df=d(tr(AX−1B))=tr(Ad(X−1)B)df = d\left(\text{tr}(AX^{-1}B)\right) = \text{tr}\left(A d(X^{-1}) B\right)

代入定理 3.1 的逆矩阵微分公式:

df=tr(A(−X−1(dX)X−1)B)=−tr(AX−1dXX−1B)df = \text{tr}\left( A \left( -X^{-1} (dX) X^{-1} \right) B \right) = -\text{tr}\left( A X^{-1} dX X^{-1} B \right)

利用迹的循环排列不变性(将 X−1BX^{-1} B 作为一个整体移到最左端):

df=−tr(X−1BAX−1dX)=tr((−X−1BAX−1)dX)df = -\text{tr}\left( X^{-1} B A X^{-1} dX \right) = \text{tr}\left( \left(-X^{-1} B A X^{-1}\right) dX \right)

欲对照迹形式的标准型 df=tr(MTdX)df = \text{tr}(M^T dX),令 MT=−X−1BAX−1M^T = -X^{-1} B A X^{-1}:

M=(−X−1BAX−1)T=−X−TATBTX−TM = \left( -X^{-1} B A X^{-1} \right)^T = -X^{-T} A^T B^T X^{-T}

因此:

∇Xtr(AX−1B)=M=−X−TATBTX−T□\nabla_X \text{tr}(AX^{-1}B) = M = -X^{-T} A^T B^T X^{-T} \quad \square

3. 导数公式:∇Xdet⁡(X)=det⁡(X)X−T\nabla_X \det(X) = \det(X)X^{-T}#

【证明】#

按行列式的拉普拉斯按行展开定理,有 det⁡(X)=∑j=1mXijCij\det(X) = \sum_{j=1}^m X_{ij} C_{ij},其中 CijC_{ij} 是代数余子式。由于 CijC_{ij} 的定义式中不包含 XijX_{ij} 元素本身,故其对 XijX_{ij} 的偏导数为零:

∂det⁡(X)∂Xij=Cij\frac{\partial \det(X)}{\partial X_{ij}} = C_{ij}

因此,梯度矩阵即为代数余子式矩阵 CC。由伴随矩阵与逆矩阵的关系:

X−1=1det⁡(X)X∗=1det⁡(X)CT  ⟹  CT=det⁡(X)X−1X^{-1} = \frac{1}{\det(X)} X^* = \frac{1}{\det(X)} C^T \implies C^T = \det(X) X^{-1}

两端取转置,即证:

∇Xdet⁡(X)=C=det⁡(X)X−T□\nabla_X \det(X) = C = \det(X) X^{-T} \quad \square


专题 4:对称矩阵梯度与对称化投影法则 (Symmetric Gradients)#

4.1 对称化投影法则#

若自变量 XX 约束为实对称矩阵(即 X=XT  ⟹  dX=dXTX = X^T \implies dX = dX^T),由于分量之间不再彼此独立,不能直接使用无约束梯度。

定理 4.1 (对称化投影法则)#

若无约束下求得的全微分为 df=tr(MdX)df = \text{tr}(M dX),则在 XX 属于实对称矩阵的约束下,对应的对称梯度为:

∇Xf=M+MT2\nabla_X f = \frac{M + M^T}{2}

【证明】#

由于 dXdX 是对称矩阵,有 dX=dXTdX = dX^T。利用迹的转置不变性:

df=tr(MdX)=tr((MdX)T)=tr(dXTMT)=tr(MTdX)df = \text{tr}(M dX) = \text{tr}\left( (M dX)^T \right) = \text{tr}(dX^T M^T) = \text{tr}(M^T dX)

取这两种等价微分形式的平均值:

df=12tr(MdX)+12tr(MTdX)=tr((M+MT2)dX)df = \frac{1}{2} \text{tr}(M dX) + \frac{1}{2} \text{tr}(M^T dX) = \text{tr}\left( \left( \frac{M + M^T}{2} \right) dX \right)

两端对照标准型 df=tr((∇Xf)TdX)df = \text{tr}((\nabla_X f)^T dX)。因为自变量矩阵 dXdX 与算子 M+MT2\frac{M+M^T}{2} 均为对称矩阵,此时内积映射唯一,故对称约束下的梯度为:

∇Xf=M+MT2□\nabla_X f = \frac{M + M^T}{2} \quad \square


4.2 典型应用#

对称约束下求对数行列式函数 f(X)=ln⁡(det⁡(X))f(X) = \ln(\det(X)) 的梯度#

【推导】#
  1.  求微分:利用链式法则:

    df=1det⁡(X)d(det⁡(X))=1det⁡(X)det⁡(X)tr(X−1dX)=tr(X−1dX)df = \frac{1}{\det(X)} d(\det(X)) = \frac{1}{\det(X)} \det(X) \text{tr}(X^{-1} dX) = \text{tr}(X^{-1} dX)

  1.  套用法则:对应无约束微分因子 M=X−1M = X^{-1}。由定理 4.1 的对称化投影法则:

    ∇Xf=X−1+(X−1)T2\nabla_X f = \frac{X^{-1} + (X^{-1})^T}{2}

  1.  化简:因为 XX 是实对称矩阵,其逆矩阵 X−1X^{-1} 同样是对称矩阵(即 (X−1)T=X−1(X^{-1})^T = X^{-1}),故对称梯度退化为:

    ∇Xln⁡(det⁡(X))=X−1□\nabla_X \ln(\det(X)) = X^{-1} \quad \square


专题 5:正交投影矩阵性质 (Orthogonal Projections)#

5.1 定义#

  •   投影矩阵:满足幂等性 P2=PP^2 = P。

  •   正交投影矩阵:满足对称性 PT=PP^T = P 且幂等 P2=PP^2 = P。


5.2 核心性质与证明#

性质 5.1 (列空间正交投影算子) (习题 9, 24)#

设 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n} 满列秩。定义算子 P=A(ATA)−1ATP = A(A^T A)^{-1} A^T,则 PP 是到列空间 Col(A)\text{Col}(A) 上的正交投影算子,且残差 r=b−Pb\mathbf{r} = \mathbf{b} - P\mathbf{b} 正交于 Col(A)\text{Col}(A)。

【证明】#
  1.  证明对称性:

    PT=(A(ATA)−1AT)T=(AT)T((ATA)−1)TATP^T = \left( A(A^T A)^{-1} A^T \right)^T = (A^T)^T \left( (A^T A)^{-1} \right)^T A^T

    由于 (ATA)T=ATA(A^T A)^T = A^T A,其逆矩阵同样对称:

    PT=A(ATA)−1AT=PP^T = A (A^T A)^{-1} A^T = P

  1.  证明幂等性:

    P2=(A(ATA)−1AT)(A(ATA)−1AT)=A(ATA)−1(ATA)(ATA)−1ATP^2 = \left( A(A^T A)^{-1} A^T \right) \left( A(A^T A)^{-1} A^T \right) = A (A^T A)^{-1} \left( A^T A \right) (A^T A)^{-1} A^T

    由于 (ATA)−1(ATA)=I(A^T A)^{-1} (A^T A) = I,化简得:

    P2=A(ATA)−1AT=PP^2 = A (A^T A)^{-1} A^T = P

  1.  证明残差正交性:

    任意属于列空间 Col(A)\text{Col}(A) 的向量可表示为 Ay⃗A\vec{y}。考察残差 r=(I−P)b\mathbf{r} = (I - P)\mathbf{b}:

    ATr=AT(I−P)b=ATb−ATPbA^T \mathbf{r} = A^T (I - P)\mathbf{b} = A^T \mathbf{b} - A^T P \mathbf{b}

    将 PP 展开代入:

    ATP=AT(A(ATA)−1AT)=(ATA)(ATA)−1AT=ATA^T P = A^T \left( A (A^T A)^{-1} A^T \right) = (A^T A) (A^T A)^{-1} A^T = A^T

    因此:

    ATr=ATb−ATb=0⃗□A^T \mathbf{r} = A^T \mathbf{b} - A^T \mathbf{b} = \vec{0} \quad \square


专题 6:线性方程组求解与高斯/Householder变换 (Linear Systems)#

6.1 核心定义#

  •   高斯消元复杂度:求解 Ux⃗=b⃗U\vec{x} = \vec{b} 约耗费 n2n^2 次 FLOPs。

  •   Householder 矩阵:对单位向量 ∥w⃗∥2=1\|\vec{w}\|_2 = 1,

    H=I−2w⃗w⃗TH = I - 2\vec{w}\vec{w}^T


6.2 核心性质与证明#

性质 6.1 (Householder 反射矩阵对称性与正交性)#

Householder 变换阵 H=I−2v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗H = I - 2 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} 满足对称性与正交性。

【证明】#
  1.  对称性:

    HT=(I−2v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗)T=IT−2v⃗Tv⃗(v⃗v⃗T)T=I−2v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗=HH^T = \left( I - 2 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} \right)^T = I^T - \frac{2}{\vec{v}^T \vec{v}} (\vec{v}\vec{v}^T)^T = I - 2 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} = H

  1.  正交性:利用对称性 HT=HH^T = H,只需计算 H2H^2:

    H2=(I−2v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗)(I−2v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗)=I−4v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗+4(v⃗v⃗T)(v⃗v⃗T)(v⃗Tv⃗)2H^2 = \left( I - 2 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} \right) \left( I - 2 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} \right) = I - 4 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} + 4 \frac{(\vec{v}\vec{v}^T)(\vec{v}\vec{v}^T)}{(\vec{v}^T \vec{v})^2}

    由于 (v⃗v⃗T)(v⃗v⃗T)=v⃗(v⃗Tv⃗)v⃗T=(v⃗Tv⃗)(v⃗v⃗T)(\vec{v}\vec{v}^T)(\vec{v}\vec{v}^T) = \vec{v}(\vec{v}^T\vec{v})\vec{v}^T = (\vec{v}^T\vec{v})(\vec{v}\vec{v}^T),代入上式最后一项:

    4(v⃗Tv⃗)(v⃗v⃗T)(v⃗Tv⃗)2=4v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗4 \frac{(\vec{v}^T \vec{v})(\vec{v}\vec{v}^T)}{(\vec{v}^T \vec{v})^2} = 4 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}}

    因此:

    H2=I−4v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗+4v⃗v⃗Tv⃗Tv⃗=IH^2 = I - 4 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} + 4 \frac{\vec{v}\vec{v}^T}{\vec{v}^T \vec{v}} = I

    因为 HTH=HH=H2=IH^T H = H H = H^2 = I,即证 HH 为正交矩阵 □\quad \square


专题 7:最小二乘问题与 Moore-Penrose 广义逆 (Least Squares)#

7.1 定理与证明#

定理 7.1 (系数矩阵的正定性) (定理 36)#

若 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n} 满足 m>nm > n 且满列秩(即 rank(A)=n\text{rank}(A) = n),则对称方阵 ATAA^T A 是对称正定矩阵,因而必可逆。

【证明】#
  1.  对称性:

    (ATA)T=AT(AT)T=ATA(A^T A)^T = A^T (A^T)^T = A^T A

    显然其是对称阵。

  1.  正定性:

    对于任意非零实向量 x∈Rn,x≠0\mathbf{x} \in \mathbb{R}^n, \mathbf{x} \neq \mathbf{0},考察其二次型:

    xT(ATA)x=(Ax)T(Ax)=∥Ax∥22≥0\mathbf{x}^T (A^T A) \mathbf{x} = (A\mathbf{x})^T (A\mathbf{x}) = \|A\mathbf{x}\|_2^2 \geq 0

    由于 AA 是满列秩矩阵,其列向量组线性无关,因此其零空间仅包含零向量:

    Ax=0  ⟺  x=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} \iff \mathbf{x} = \mathbf{0}

    既然已知 x≠0\mathbf{x} \neq \mathbf{0},则必有 Ax≠0A\mathbf{x} \neq \mathbf{0},从而:

    ∥Ax∥22>0\|A\mathbf{x}\|_2^2 > 0

    故对于任意 x≠0\mathbf{x} \neq \mathbf{0},恒有 xT(ATA)x>0\mathbf{x}^T (A^T A) \mathbf{x} > 0,即证 ATAA^T A 对称正定 □\quad \square


7.2 典型应用分析#

1. 习题 25:常数最小二乘拟合问题#

设拟合模型为 y=cy = c,系数矩阵 A=[11…1]T∈Rm×1A = \begin{bmatrix} 1 & 1 & \dots & 1 \end{bmatrix}^T \in \mathbb{R}^{m \times 1},观测向量为 b=[b1…bm]T\mathbf{b} = \begin{bmatrix} b_1 & \dots & b_m \end{bmatrix}^T。

【证明:最佳拟合常数为均值】#

根据正规方程组公式 ATAc∗=ATbA^T A c_* = A^T \mathbf{b}:

ATA=[11…1][11⋮1]=mA^T A = \begin{bmatrix} 1 & 1 & \dots & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{bmatrix} = m

ATb=[11…1][b1b2⋮bm]=∑i=1mbiA^T \mathbf{b} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & \dots & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_m \end{bmatrix} = \sum_{i=1}^m b_i

代入方程可得 mc∗=∑i=1mbim c_* = \sum_{i=1}^m b_i,即:

c∗=1m∑i=1mbi□c_* = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m b_i \quad \square

2. 习题 26:欠定方程的最小范数解#

设方程组为 Ax=bA\mathbf{x} = \mathbf{b},其中 A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m \times n} 满行秩(m<nm < n)。证明其最小二乘范数解为 x∗=AT(AAT)−1b\mathbf{x}_* = A^T(A A^T)^{-1}\mathbf{b}。

【证明】#

由于 AA 满行秩,对称阵 AAT∈Rm×mA A^T \in \mathbb{R}^{m \times m} 可逆。令拉格朗日乘子向量为 λ∈Rm\boldsymbol{\lambda} \in \mathbb{R}^m,构造约束极值优化函数:

L(x,λ)=12∥x∥22−λT(Ax−b)\mathcal{L}(\mathbf{x}, \boldsymbol{\lambda}) = \frac{1}{2} \|\mathbf{x}\|_2^2 - \boldsymbol{\lambda}^T(A\mathbf{x} - \mathbf{b})

对 x\mathbf{x} 求梯度并令其归零:

∇xL=x−ATλ=0  ⟹  x∗=ATλ\nabla_{\mathbf{x}} \mathcal{L} = \mathbf{x} - A^T \boldsymbol{\lambda} = \mathbf{0} \implies \mathbf{x}_* = A^T \boldsymbol{\lambda}

将该解带入约束条件 Ax∗=bA\mathbf{x}_* = \mathbf{b}:

A(ATλ)=b  ⟹  (AAT)λ=bA (A^T \boldsymbol{\lambda}) = \mathbf{b} \implies (A A^T) \boldsymbol{\lambda} = \mathbf{b}

解得 λ=(AAT)−1b\boldsymbol{\lambda} = (A A^T)^{-1}\mathbf{b},代回 x∗\mathbf{x}_* 的表达式中即得:

x∗=AT(AAT)−1b□\mathbf{x}_* = A^T (A A^T)^{-1} \mathbf{b} \quad \square


专题 8:敏感度与病态方程组 (Sensitivity and Condition Numbers)#

8.1 正规方程法 vs QR分解法 (习题 28)#

在最小二乘求解 min⁡∥Aϵx−b∥2\min \|A_\epsilon \mathbf{x} - \mathbf{b}\|_2 中,若 Aϵ=[1111+ϵ11−ϵ]A_\epsilon = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1+\epsilon \\ 1 & 1-\epsilon \end{bmatrix},其中 0<ϵ≪10 < \epsilon \ll 1:

1. 证明正规方程法会导致病态加重#

【证明】#

计算 AϵTAϵA_\epsilon^T A_\epsilon 矩阵:

AϵTAϵ=[11111+ϵ1−ϵ][1111+ϵ11−ϵ]=[3333+2ϵ2]A_\epsilon^T A_\epsilon = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1+\epsilon & 1-\epsilon \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1+\epsilon \\ 1 & 1-\epsilon \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 & 3 \\ 3 & 3 + 2\epsilon^2 \end{bmatrix}

计算两列的线性相关性:由于当 ϵ→0\epsilon \to 0 时,第二列逼近第一列,两列高度线性相关。

根据谱条件数平方性质:

κ2(AϵTAϵ)=κ2(Aϵ)2\kappa_2(A_\epsilon^T A_\epsilon) = \kappa_2(A_\epsilon)^2

例如若 κ2(Aϵ)≈104\kappa_2(A_\epsilon) \approx 10^4,则正规方程矩阵的条件数骤增至 κ2(AϵTAϵ)≈108\kappa_2(A_\epsilon^T A_\epsilon) \approx 10^8。在计算机浮点数运算中,这会导致有效精度的双倍流失。

2. QR分解的优越性分析#

若采用薄 QR 分解,则正规方程等价转为:

Rx=QTbR\mathbf{x} = Q^T \mathbf{b}

由于其对应的系数矩阵为上三角矩阵 RR,且由定理 7.2 已知其条件数不发生退化:

κ2(R)=κ2(Aϵ)\kappa_2(R) = \kappa_2(A_\epsilon)

由于未采用自乘,求解系统避免了病态性的平方级恶化,在数值计算上具有更佳的后向稳定性。


附录:核心公式速查指南 (Cheat Sheet)#

1. 向量数范与矩阵范数不等式#

  •   ∥A∥2≤∥A∥1∥A∥∞\|A\|_2 \leq \sqrt{\|A\|_1 \|A\|_\infty}

  •   ∥A∥2≤∥A∥F≤∥A∥∗\|A\|_2 \leq \|A\|_F \leq \|A\|_*

  •   若 rank(A)=r\text{rank}(A)=r,则 ∥A∥F≤r∥A∥2\|A\|_F \leq \sqrt{r} \|A\|_2

2. 常用梯度公式(无约束)#

  •   ∇x(aTx)=a\nabla_{\mathbf{x}} (\mathbf{a}^T \mathbf{x}) = \mathbf{a}

  •   ∇x(xTAx)=(A+AT)x\nabla_{\mathbf{x}} (\mathbf{x}^T A \mathbf{x}) = (A + A^T)\mathbf{x}

  •   ∇Xtr(AX)=AT\nabla_X \text{tr}(AX) = A^T

  •   ∇Xtr(AXB)=ATBT\nabla_X \text{tr}(AXB) = A^T B^T

  •   ∇Xtr(XTAX)=(A+AT)X\nabla_X \text{tr}(X^T A X) = (A + A^T)X

  •   ∇Xtr(AX−1B)=−X−TATBTX−T\nabla_X \text{tr}(AX^{-1}B) = -X^{-T} A^T B^T X^{-T}

  •   ∇Xdet⁡(X)=det⁡(X)X−T\nabla_X \det(X) = \det(X)X^{-T}

3. 对称约束梯度(对称化投影)#

  •   ∇Xsymf(X)=∇Xf+(∇Xf)T2\nabla_{X_{\text{sym}}} f(X) = \frac{\nabla_X f + (\nabla_X f)^T}{2}

  •   ∇Xsymln⁡(det⁡(X))=X−1\nabla_{X_{\text{sym}}} \ln(\det(X)) = X^{-1}