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09 变分原理、扰动与低秩逼近

1. Rayleigh 商

对 Hermite 矩阵 A,定义

RA(x)=xAxxx.

若特征值升序排列 λ1λn,则

λ1=minx0RA(x),λn=maxx0RA(x).

证明只需把 x 展开到标准正交特征基中:Rayleigh 商是特征值的非负加权平均。

2. Courant–Fischer 极小极大原理

k 个特征值不仅是某个向量上的极值,也是子空间之间竞争的结果:

λk=mindimS=k max0xSRA(x)=maxdimS=nk+1 min0xSRA(x).

这一定理是交错性、单调性和扰动界的统一来源。

3. 交错与压缩

CA 的一个 (n1)×(n1) 主子矩阵,其特征值为 μ1μn1,则

λ1μ1λ2μn1λn.

更一般地,若 XX=I,则 XAXA 在子空间上的压缩,其特征值被 A 的相应特征值夹住。

4. Weyl 与 Hoffman–Wielandt

Hermite 扰动 E 对每个有序特征值的影响满足

|λk(A+E)λk(A)|E2.

全部特征值的平方总误差还满足

k=1n|λk(A+E)λk(A)|2EF2.

对奇异值也有对应的 Lipschitz 型界。直观上,2-范数控制最坏一个方向,Frobenius 范数控制整体能量。

5. 奇异值的变分刻画

σ1(A)=maxx=1Ax,

mn,则

σn(A)=minx=1Ax.

更一般的奇异值也有 Courant–Fischer 型极小极大公式。它们把“第 k 强的伸缩方向”变成子空间优化问题。

6. Eckart–Young 最佳低秩逼近

Ak=i=1kσiuivi.

那么

minrank(B)kAB2=σk+1,minrank(B)kABF=(i>kσi2)1/2.

截断 SVD 因而不是经验做法,而是两个重要范数下的全局最优解。PCA、压缩和降噪都建立在这一点上。

7. 子空间的主角

X,Y 的列分别是子空间 X,Y 的标准正交基。XY 的奇异值写作

σi(XY)=cosθi,0θ1π2.

θi 称为主角(经典角)。它只依赖子空间,不依赖所选基。θ1=0 表示存在公共方向;角越接近 π/2,相应方向越接近正交。

8. 从极小极大到交错与 Weyl

Courant–Fischer 的核心工具是维数公式:若 S,TCn

dimS+dimT>n,

ST 中必有非零向量。取 T 为前若干个特征向量张成的空间,就能强迫任意足够大的试探子空间与“低谱方向”相交;取后若干个特征向量则得到另一侧界。这就是两个极小极大公式的几何来源。

主子矩阵是把 A 压缩到一个余维为 1 的坐标子空间。试探子空间的维数只改变一维,于是相邻特征值恰好把压缩特征值夹住,这便是交错定理。

对 Hermite 扰动 E,任意非零 x 满足

RA(x)+λmin(E)RA+E(x)RA(x)+λmax(E).

把这组逐向量不等式代入 Courant–Fischer,就得到 Weyl 型界;再用 |RE(x)|E2,便得到第 4 节的 Lipschitz 估计。交错与扰动并非孤立技巧,而是同一个变分原理的两次应用。

9. Hermite 扩张与截断 SVD 的证明

对任意长方形矩阵 A,构造 Hermite 矩阵

H(A)=(0AA0).

Avi=σiuiAui=σivi,则

H(A)(ui±vi)=±σi(ui±vi).

因此奇异值问题可以嵌入 Hermite 特征值问题,许多特征值扰动定理也就自动产生奇异值版本。

Eckart–Young 的 2-范数证明同样是维数交。若 rank(B)k,则 kerB 的维数至少为 nk;它与 span{v1,,vk+1} 必有非零交。取其中单位向量 x,则

AB2(AB)x2=Ax2σk+1.

截断 SVD Ak 恰好达到这个下界。Frobenius 范数版本则把被删去的互相正交秩一项的能量平方相加。

10. 特征值导数与谱间隙

A(t)=A(t) 光滑,λi(t) 是一个单特征值,qi(t) 为对应单位特征向量,则对

Aqi=λiqi

求导并左乘 qi,利用 qiA=λiqi,得到

λi(t)=qi(t)A(t)qi(t).

特征值本身的变化由 A 在该方向上的 Rayleigh 商控制;特征向量的变化还要除以与其他特征值的间隙。因此谱间隙很小时,即使特征值相当稳定,特征向量也可能剧烈转动。主角正是衡量这种子空间转动的自然尺度。

11. 自检

  • [ ] 能从谱分解证明 Rayleigh 极值公式。
  • [ ] 能用极小极大原理解释特征值交错。
  • [ ] 能区分 Weyl 界与 Hoffman–Wielandt 界。
  • [ ] 能写出截断 SVD 的两种最优误差。
  • [ ] 能用 XY 的奇异值定义子空间主角。
  • [ ] 能解释交错定理与 Weyl 界如何共同来自 Courant–Fischer。
  • [ ] 能用维数交证明截断 SVD 的 2-范数最优性。

下一章:仿射几何与行列式