本文最后更新于:2023年9月13日 下午
矩阵论02-5:矩阵范数
1 定义
矩阵范数:设Fn×n是数域F上所有n阶方阵全体构成的线性空间。则∣∣⋅∣∣:Fn×n→R称为矩阵范数。范数对于任意矩阵A,B∈Fn×n满足下列性质:
- 正定性∣∣A∣∣≥0, 当A=0时∣∣A∣∣才为0
- 齐次性:∣∣kA∣∣=∣k∣∣∣A∣∣
- 三角不等式:∣∣A+B∣∣≤∣∣A∣∣+∣∣B∣∣
- 相容性:∣∣AB∣∣≤∣∣A∣∣∣∣B∣∣
2 常用矩阵范数
m1-范数:
∣∣A∣∣m1=i=1∑nj=1∑n∣aij∣
m2-范数:
∣∣A∣∣m2=(i=1∑nj=1∑n∣aij∣2)21
m∞-范数:
∣∣A∣∣m∞=n⋅i,jmax∣aij∣
当类比向量范数的时候,最大值度量(∣∣⋅∣∣∞, m∞)是不同的,这是因为矩阵范数要满足相容性,乘上n之后才会满足相容性不等式
2 F范数
定义:我们把m2范数称作Frobenius范数,简称F-范数,记作∣∣A∣∣F。
2.1 重要定理
定理1:给出A=[aij]∈Cn×n, A的F范数∣∣A∣∣F满足以下几个等式。
-
用αj代表矩阵A的第j列,则有
∣∣A∣∣F2=j=1∑n∣∣αj∣∣22
-
∣∣A∣∣F=∣∣AH∣∣F
-
用λi(AHA)表示AHA的特征值,tr(A^HA)表示迹,有
∣∣A∣∣F2=tr(AHA)=i=1∑nλi(AHA)
酉不变性:∀A=[aij]∈Cn×n,U, V是Cn×n中的酉矩阵,则∣∣A∣∣F=∣∣UA∣∣F=∣∣AV∣∣F=∣∣UAV∣∣F。即矩阵左乘,右乘,左右乘酉矩阵,矩阵的F范数都不变,
3 矩阵范数的性质
3.1 一般性质
给出A,B∈Cn×n, 或(Rn×n),有
- ∣∣On×n∣∣=0
- ∣∣A−B∣∣≥∣∣∣A∣∣−∣∣B∣∣∣(三角不等式的另一边)
- ∣∣A∣∣是关于矩阵A各元素aij的连续函数。(类比向量范数与各分量是连续函数)
3.2 矩阵范数等价
设∣∣⋅∣∣α, ∣∣⋅∣∣β是Cn×n中定义的任意两种矩阵范数,若存在m, M,使得∀A∈Cn×n都有
m∣∣A∣∣β≤∣∣A∣∣α≤M∣∣x∣∣β
,那么两种范数∣∣⋅∣∣α, ∣∣⋅∣∣β是等价的。
与矩阵范数类似,Cn×n(或Rn×n)里任意两个矩阵范数等价