Appearance
09 变分原理、扰动与低秩逼近
1. Rayleigh 商
对 Hermite 矩阵
若特征值升序排列
证明只需把
2. Courant–Fischer 极小极大原理
第
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
若
更一般地,若
4. Weyl 与 Hoffman–Wielandt
Hermite 扰动
全部特征值的平方总误差还满足
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
若
更一般的奇异值也有 Courant–Fischer 型极小极大公式。它们把“第
6. Eckart–Young 最佳低秩逼近
令
那么
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
设
8. 从极小极大到交错与 Weyl
Courant–Fischer 的核心工具是维数公式:若
则
主子矩阵是把
对 Hermite 扰动
把这组逐向量不等式代入 Courant–Fischer,就得到 Weyl 型界;再用
9. Hermite 扩张与截断 SVD 的证明
对任意长方形矩阵
若
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
截断 SVD
10. 特征值导数与谱间隙
若
求导并左乘
特征值本身的变化由
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
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。