Skip to content

03 向量范数与矩阵范数 ​

1. 范数把代数对象变成度量对象 ​

向量空间上的函数 ∥⋅∥ 是范数,当且仅当满足:

∥x∥≥0,∥x∥=0⇔x=0,∥αx∥=|α|∥x∥,∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.

在有限维空间中,任意两个范数都等价:存在 m,M>0 使

m∥x∥a≤∥x∥b≤M∥x∥a.

“等价”指它们定义相同的收敛与连续性,不是数值相等。

2. ℓp 范数与对偶指数 ​

对 1≤p<∞,

∥x∥p=(∑i=1n|xi|p)1/p,∥x∥∞=maxi|xi|.

若 p−1+q−1=1,Hölder 不等式给出

|y∗x|≤∥x∥p∥y∥q.

Minkowski 不等式则保证三角不等式:

∥x+y∥p≤∥x∥p+∥y∥p.

对固定 x,p 越大,∥x∥p 越小;但不同维数下比较时要带上维数常数。

3. 相容范数与诱导范数 ​

矩阵范数若满足

∥AB∥≤∥A∥∥B∥

称为次乘性的。由向量范数诱导的算子范数定义为

∥A∥=supx≠0∥Ax∥∥x∥.

它就是线性映射的最大放大率,并自动满足

∥Ax∥≤∥A∥∥x∥,∥I∥=1.

三个常用公式:

∥A∥1=maxj∑i|aij|,∥A∥∞=maxi∑j|aij|,∥A∥2=σmax(A)=ρ(A∗A).

4. Frobenius 范数 ​

∥A∥F=(∑i,j|aij|2)1/2=tr(A∗A)=(∑kσk(A)2)1/2.

它不是由同维向量范数诱导的算子范数,但它计算简单、酉不变,并满足

∥AB∥F≤∥A∥2∥B∥F,∥AB∥F≤∥A∥F∥B∥2.

算子 2-范数只看最强方向,Frobenius 范数汇总所有方向的能量。

5. 谱半径、Neumann 级数与稳定性 ​

谱半径为

ρ(A)=maxi|λi(A)|.

对任意相容矩阵范数,ρ(A)≤∥A∥。Gelfand 公式把长期幂行为与谱连接起来:

ρ(A)=limk→∞∥Ak∥1/k.

若 ρ(A)<1,则

∑k=0∞Ak=(I−A)−1.

注意:只知道某一个常见范数 ∥A∥>1,不能推出级数发散;真正的充要条件由谱半径控制。

6. 到奇异矩阵的距离 ​

若 A 可逆,则在 2-范数下

minA+E 奇异∥E∥2=σmin(A)=1∥A−1∥2.

所以条件数

κ2(A)=∥A∥2∥A−1∥2=σmax(A)σmin(A)

衡量了矩阵离奇异性的相对程度。

7. 有限维范数为何等价 ​

以任意范数 ∥⋅∥ 和欧氏范数比较。函数 x↦∥x∥ 连续,而单位球面

Sn−1={x:∥x∥2=1}

在有限维空间中是紧集,所以该函数在球面上取得正的最小值 m 和有限最大值 M。对 x≠0,把 x 写成 ∥x∥2(x/∥x∥2),立即得到

m∥x∥2≤∥x∥≤M∥x∥2.

有限维假设用在“单位球面紧”这一步;无限维空间的单位球一般不紧,不同范数可能定义完全不同的收敛概念。

8. 诱导范数公式中的极值向量 ​

对任意 x,

∥Ax∥∞≤(maxi∑j|aij|)∥x∥∞.

取达到最大行和的第 i0 行,并令 xj 取 ai0j 的相位的共轭,使 ai0jxj=|ai0j|,上界即可取到。这证明了行和公式。列和公式可由对偶关系

∥A∥1=∥A∗∥∞

得到。对 2-范数,最大值在 A∗A 的最大特征值对应单位特征向量处取到,于是 ∥A∥2=σ1(A)。

9. 条件数把数据误差放大多少 ​

设 Ax=b,扰动右端项得到 A(x+δx)=b+δb。则

∥δx∥∥x∥≤κ(A)∥δb∥∥b∥.

这个界可能达到。以

A=(100ε),0<ε≪1

为例,第二个方向上的右端项误差会被放大 1/ε 倍,而 κ2(A)=1/ε。条件数描述的是问题本身的敏感性;算法稳定性则描述程序额外引入多少误差,二者不能混为一谈。

10. 自检 ​

  • [ ] 能区分向量范数、诱导矩阵范数和一般矩阵范数。
  • [ ] 能从行和/列和直接写出 ∥A∥∞ 与 ∥A∥1。
  • [ ] 能解释 ρ(A)<1 比 ∥A∥<1 更精确。
  • [ ] 能用最小奇异值解释条件数。
  • [ ] 知道有限维范数等价证明在哪一步使用了紧性。
  • [ ] 能构造取到行和诱导范数的向量。

下一章:向量空间与线性映射。