Prerequisites

设

记 为共轭转置, 为像空间, 为核空间。对实矩阵,,下文的酉矩阵相应退化为正交矩阵。

1. 奇异值分解

1.1. 完整 SVD

任意矩阵 都可以分解为

其中

都是酉矩阵,而 是矩形对角矩阵:

若 ,正奇异值满足

若 ,则其余奇异值满足 。

称为 的奇异值; 与 分别称为左奇异向量与右奇异向量。

对每个 ,

其余奇异向量满足

1.2. 紧 SVD

只保留非零奇异值及对应的奇异向量,记

则

这里

但当 或 时,、 本身不是方阵。

紧 SVD 也可以写成秩一矩阵之和:

1.3. 截断 SVD

对 ,只保留前 个奇异值,得到

其中 ,并且 、。

2. 预备结论

2.1. 与 半正定

与 都是 Hermitian 半正定矩阵。

proof

首先,

所以二者都是 Hermitian 矩阵。对任意 、,

因此二者都是半正定矩阵。

所以它们的特征值均为非负实数,并且都可以酉对角化。

2.2. 核空间

有

proof

以第一个等式为例,若 ,则显然 ;反过来,若 ,则

所以 。第二个等式同理。

由秩–零度定理可得

此外,

proof

例如, 当且仅当 对所有 成立,也就是 。另一个等式同理。

2.3. 非零特征值

与 具有相同的非零特征值,并且重数相同。

proof

设 ,分别记相应的特征空间为

映射

是同构,其逆映射为

事实上,若 ,则

并且 ,否则 将推出 。类似地,若 ,则

最后,

因此两个特征空间同构。由于 与 都可对角化,非零特征值的几何重数等于代数重数,结论成立。

3. SVD 的存在性证明

proof

由谱定理,存在 的一组标准正交基 ,使得

其中

定义

3.1. 标准正交

对 ,

因此 标准正交。它们都属于 ,且数量恰好等于 ,所以

3.2. 左右奇异向量的关系

根据定义,

同时,

因而 也是 对应于特征值 的特征向量:

3.3. 补全标准正交基

由

可选取 的一组标准正交基 。于是

是酉矩阵。另一方面,第 2.2 节给出

所以 也是酉矩阵。

对任意 ,

并且 对 成立。因此

这对一切 都成立,故

当 时,取 ,并任取两个相应尺寸的酉矩阵 即可。

Q.E.D.

4. 四个基本子空间

SVD 给出了四个基本子空间的标准正交基:

因此

对应的正交投影分别为

若

则

也就是说, 中的分量被映为零,而 中沿 的分量被缩放 倍并映到 方向。

5. 谱分解与基本性质

由 可得

其中

因此:

  • 是 与 的非零特征值;
  • 等于正奇异值的个数;
  • 若 是方阵,则

6. 范数与条件数

6.1. 谱范数

proof

对任意 ,写成

则

当 时取等号;当 时两边均为零。

6.2. Frobenius 范数

proof

6.3. 酉不变性

若 、 都是酉矩阵,则

proof

由

可知右侧也是一个 SVD,所以 与 具有相同的奇异值。再由前两节的结论即得所证。

6.4. 2-范数条件数

当 时,定义

若 ,则存在零奇异值,约定

特别地,对可逆方阵 ,

7. 唯一性与非唯一性

设 的特征值按降序排列。对 ,奇异值由下式唯一确定:

所以按降序排列后的奇异值及其重数是唯一的,但奇异向量一般不唯一。

  • 若正奇异值 是单重的,则对应的 在共同乘以一个模为 的标量后仍表示同一项;实数情形下,这就是同时改变二者的符号。
  • 若某个正奇异值重复出现,可以在对应的左右奇异子空间内同时施加任意酉基变换。
  • 与零奇异值对应的向量只需分别构成 与 的标准正交基,因此通常也不唯一。

所以,唯一的是奇异值和相应的奇异子空间,而不是某一组具体的 与 。

8. 总结

  • 任意复矩阵都存在完整 SVD ;
  • 正奇异值是 (或 )正特征值的平方根;
  • 紧 SVD 为 ;
  • 左右奇异向量分别给出四个基本子空间的标准正交基;
  • ,;
  • 奇异值唯一,奇异向量在相位、重根子空间及零空间中不唯一。