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08 奇异值分解、极分解与 Moore–Penrose 逆 ​

1. SVD 是任意矩阵的正交坐标系 ​

对 A∈Cm×n,存在酉矩阵 U,V 与非负对角矩阵 Σ 使

A=UΣV∗.

若 r=rank(A),约化形式为

A=UrΣrVr∗=∑i=1rσiuivi∗,

其中 σ1≥⋯≥σr>0。左右奇异向量满足

Avi=σiui,A∗ui=σivi.

2. 四个基本子空间 ​

把完整 SVD 写成 U=[Ur,U0]、V=[Vr,V0],立即得到

range(A)=span(Ur),range(A∗)=span(Vr),ker⁡(A)=span(V0),ker⁡(A∗)=span(U0).

这把秩-零化度、正交补关系和线性方程的可解性放在同一张图里。

3. Moore–Penrose 广义逆 ​

定义

A†=VrΣr−1Ur∗.

它是唯一满足四个 Penrose 方程的矩阵:

AA†A=A,A†AA†=A†,(AA†)∗=AA†,(A†A)∗=A†A.

其中

AA†=Prange(A),A†A=Prange(A∗).

一般不能随意写 (AB)†=B†A†;需要额外的秩或子空间条件。

4. 最小二乘与最小范数解 ​

问题

minx∥Ax−b∥2

要求残差 r=b−Ax 与 range(A) 正交,因此满足正规方程

A∗Ax=A∗b.

所有最小二乘解中,

x⋆=A†b

是 2-范数最小者。SVD 比直接解正规方程更清楚地揭示小奇异值带来的不稳定性。

5. 极分解 ​

矩阵的极分解模仿复数 z=eiθ|z|:

A=QH,H=(A∗A)1/2⪰0.

若 A 为可逆方阵,则 Q 酉且分解唯一;一般情形中 Q 是部分等距算子,在零空间上的延拓可能不唯一。

SVD 直接给出

H=VΣV∗,Q=UV∗

(方阵满秩情形)。H 负责伸缩,Q 负责保持长度的旋转/反射。

6. SVD 与范数 ​

∥A∥2=σ1,∥A∥F=∑iσi2,∥A∥∗=∑iσi

分别对应最大放大率、总能量和核范数。三者都是酉不变范数。

7. SVD 的存在性证明 ​

A∗A 是 Hermite 半正定矩阵,因此存在酉矩阵 V 使

A∗A=Vdiag(σ12,…,σn2)V∗.

对每个 σi>0,令 ui=Avi/σi。则

ui∗uj=vi∗A∗Avjσiσj=δij.

所以这些 ui 标准正交;把它们补成 Cm 的标准正交基,就得到 A=UΣV∗。证明中零奇异值方向没有丢失:它们恰好张成 ker⁡A。

8. 一个秩亏矩阵的完整解剖 ​

取

A=(110000).

唯一非零奇异值为 2,可取

u1=(10),v1=12(110).

于是

A†=(1/201/2000),

并且

AA†=(1000),A†A=(1/21/201/21/20000).

前者投影到 span{(1,0)T},后者投影到 span{(1,1,0)T}。对 b=(b1,b2)T,最小范数最小二乘解为

x⋆=A†b=(b1/2,b1/2,0)T,

全部最小二乘解则是

x⋆+α(1,−1,0)T+β(0,0,1)T.

这个算例把四个基本子空间、广义逆、两个投影和最小范数条件同时呈现出来。

9. 极分解中的最近酉矩阵 ​

若 A=UΣV∗ 为可逆方阵的 SVD,则极分解的酉因子为 Q=UV∗。对任意酉矩阵 W,酉不变性给出

∥A−W∥F2=∥Σ−U∗WV∥F2.

展开平方后,最小化等价于最大化 Retr(ΣZ),其中 Z=U∗WV 仍酉。因为 |zii|≤1,最大值在 Z=I 处取得,所以最近的酉矩阵就是 UV∗。这也解释了极分解为何常用于把“近似正交”的矩阵校正为真正的正交矩阵。

10. 自检 ​

  • [ ] 能从 SVD 读出四个基本子空间。
  • [ ] 能解释 AA† 与 A†A 各投影到哪里。
  • [ ] 能证明 A†b 是最小范数最小二乘解。
  • [ ] 能由 SVD 写出极分解。
  • [ ] 能从 A∗A 的谱分解构造 SVD。
  • [ ] 能在秩亏算例中区分全部最小二乘解与最小范数解。

下一章:变分原理与矩阵扰动。