Prerequisites
若无特别说明,向量空间定义在 C 上,矩阵
A=(aij)∈Cm×n.
记 AH 为 A 的共轭转置;在实数情形下,AH=AT,酉矩阵相应退化为正交矩阵。
1. 向量范数
1.1. 定义
设 V 是复向量空间。函数
∥⋅∥:V→R
称为 V 上的一个范数,如果对任意 x,y∈V 和 α∈C 都满足:
- 正定性
∥x∥≥0,∥x∥=0⟺x=0;
- 绝对齐次性
∥αx∥=∣α∣∥x∥;
- 三角不等式
∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.
1.2. 向量 p-范数
对 x=(x1,…,xn)T∈Cn 和 1≤p<∞,定义
∥x∥p=(i=1∑n∣xi∣p)1/p.
当 p=∞ 时,定义
∥x∥∞=1≤i≤nmax∣xi∣.
最常用的三个例子是
∥x∥1=i=1∑n∣xi∣,∥x∥2=xHx,∥x∥∞=imax∣xi∣.
其中 ∥⋅∥2 是标准内积诱导的 Euclidean 范数。p-范数的三角不等式是 Minkowski 不等式。
若 1≤p≤q≤∞,则有限维空间中的这些范数满足
∥x∥q≤∥x∥p≤n1/p−1/q∥x∥q,
其中约定 1/∞=0。因此有限维空间中的所有 p-范数都等价。
2. 矩阵范数与诱导范数
2.1. 一般矩阵范数
将 Cm×n 看作一个向量空间后,任何满足范数三条公理的函数都可以称为矩阵范数。
当矩阵乘法有定义时,若一族矩阵范数还满足
∥AB∥≤∥A∥∥B∥,
则称它具有次乘性。有些教材直接把次乘性列入“矩阵范数”的定义,因此使用某个矩阵范数前需要先确认约定。
2.2. 诱导 p-范数
矩阵 A∈Cm×n 表示线性映射
A:(Cn,∥⋅∥p)→(Cm,∥⋅∥p).
由向量 p-范数诱导的矩阵范数定义为
∥A∥p:=x=0sup∥x∥p∥Ax∥p=∥x∥p=1max∥Ax∥p.
这里可以写成最大值,是因为有限维空间的单位球面是紧集,而 x↦∥Ax∥p 连续。诱导范数也称为算子范数或从属范数。
由定义立刻得到相容性:
∥Ax∥p≤∥A∥p∥x∥p.
它确实是一个范数。例如,
∥A+B∥p=∥x∥p=1max∥(A+B)x∥p≤∥x∥p=1max(∥Ax∥p+∥Bx∥p)≤∥A∥p+∥B∥p.
绝对齐次性可直接由定义得到;若 ∥A∥p=0,则对每个标准基向量 ej 都有 Aej=0,所以 A=0,正定性也成立。
2.3. 次乘性
设 A∈Cm×n、B∈Cn×k。由相容性,
∥ABx∥p≤∥A∥p∥Bx∥p≤∥A∥p∥B∥p∥x∥p.
对所有 ∥x∥p=1 的向量取最大值,得到
∥AB∥p≤∥A∥p∥B∥p.
特别地,
∥In∥p=1.
3. 常用诱导矩阵范数
3.1. 诱导 1-范数
诱导 1-范数等于绝对列和的最大值:
∥A∥1=1≤j≤nmaxi=1∑m∣aij∣.
事实上,对任意 x∈Cn,
∥Ax∥1=i=1∑mj=1∑naijxj≤j=1∑n(i=1∑m∣aij∣)∣xj∣≤(jmaxi∑∣aij∣)∥x∥1.
反过来,取绝对列和最大的第 j0 列及标准基向量 ej0,便有
∥Aej0∥1=i=1∑m∣aij0∣.
所以这个上界可以取到。
3.2. 诱导 ∞-范数
诱导 ∞-范数等于绝对行和的最大值:
∥A∥∞=1≤i≤mmaxj=1∑n∣aij∣.
一方面,
∥Ax∥∞=imaxj=1∑naijxj≤imaxj=1∑n∣aij∣∣xj∣≤(imaxj∑∣aij∣)∥x∥∞.
另一方面,设第 i0 行的绝对行和最大,并令
xj={ai0j/∣ai0j∣,1,ai0j=0,ai0j=0.
则 ∥x∥∞=1,而
(Ax)i0=j=1∑n∣ai0j∣,
所以上界同样可以取到。
3.3. 诱导 2-范数:谱范数
诱导 2-范数称为矩阵的谱范数:
∥A∥2=x=0max∥x∥2∥Ax∥2=∥x∥2=1max∥Ax∥2.
由于 AHA 是 Hermitian 半正定矩阵,
∥Ax∥22=xHAHAx.
对 AHA 使用谱定理和 Rayleigh 商可得
∥A∥2=λmax(AHA).
其中 λmax(AHA) 是 AHA 的最大特征值。特别地,
∥AH∥2=∥A∥2.
也可以直接由 Euclidean 范数的对偶表示
∥z∥2=∥y∥2=1max∣yHz∣
得到最后一个等式。
3.4. 谱范数的酉不变性
设
Q∈Cm×m,W∈Cn×n
都是酉矩阵。酉矩阵保持 Euclidean 范数,并且把单位球面双射到自身,所以
∥QAW∥2=∥x∥2=1max∥QAWx∥2=∥x∥2=1max∥AWx∥2=∥y∥2=1max∥Ay∥2=∥A∥2.
因此
∥QAW∥2=∥A∥2.
一般的诱导 p-范数在 p=2 时并不具有任意酉变换下的不变性。
4. Frobenius 范数
4.1. 定义与等价表达式
Frobenius 范数定义为所有矩阵元素的平方和开根号:
∥A∥F:=(i=1∑mj=1∑n∣aij∣2)1/2.
它有如下等价表达式:
∥A∥F2=tr(AHA)=tr(AAH).
矩阵空间上的 Frobenius 内积为
⟨A,B⟩F:=tr(BHA)=i=1∑mj=1∑naijbij,
而
∥A∥F=⟨A,A⟩F.
所以 Frobenius 范数就是把矩阵按元素视为 mn 维向量时的 Euclidean 范数。
需要注意,Frobenius 范数虽然是矩阵空间内积诱导的范数,却不是向量 2-范数诱导的算子范数。例如,当 n>1 时,
∥In∥F=n,∥In∥2=1.
4.2. Frobenius 范数的酉不变性
仍设 Q∈Cm×m、W∈Cn×n 为酉矩阵。利用 QHQ=Im、WWH=In 以及迹的循环不变性,
∥QAW∥F2=tr((QAW)H(QAW))=tr(WHAHQHQAW)=tr(WHAHAW)=tr(AHAWWH)=tr(AHA).
因此
∥QAW∥F=∥A∥F.
4.3. 乘积估计
设 A∈Cm×n、B∈Cn×k,并把 B 的列记为 b1,…,bk。则
∥AB∥F2=j=1∑k∥Abj∥22≤j=1∑k∥A∥22∥bj∥22=∥A∥22∥B∥F2.
结合共轭转置可得另一侧的估计,故
∥AB∥F≤min{∥A∥2∥B∥F,∥A∥F∥B∥2}.
又因为 ∥A∥2≤∥A∥F,所以
∥AB∥F≤∥A∥F∥B∥F.
因此 Frobenius 范数也具有次乘性。
5. 常用范数之间的关系
5.1. 谱范数与 Frobenius 范数
对任意 x∈Cn,逐行使用 Cauchy–Schwarz 不等式可得
∥Ax∥22≤(i=1∑mj=1∑n∣aij∣2)∥x∥22=∥A∥F2∥x∥22.
因此
∥A∥2≤∥A∥F.
另一方面,若 e1,…,en 是 Cn 的标准基,则
∥A∥F2=j=1∑n∥Aej∥22≤n∥A∥22.
对 AH 使用同样的结论,并利用
∥AH∥F=∥A∥F,∥AH∥2=∥A∥2,
还可得到 ∥A∥F≤m∥A∥2。综上,
∥A∥2≤∥A∥F≤min{m,n}∥A∥2.
5.2. 1-范数、∞-范数与谱范数
对任意 x∈Cn,
∥Ax∥22=i∑j∑aijxj2≤i∑(j∑∣aij∣)(j∑∣aij∣∣xj∣2)≤∥A∥∞j∑(i∑∣aij∣)∣xj∣2≤∥A∥∞∥A∥1∥x∥22.
所以
∥A∥2≤∥A∥1∥A∥∞.
5.3. 谱范数与谱半径
“谱范数”和“谱半径”是两个不同的概念。对方阵 A∈Cn×n,谱半径定义为
ρ(A):=λ∈σ(A)max∣λ∣.
若 Av=λv 且 v=0,则对任意诱导范数都有
∣λ∣∥v∥=∥Av∥≤∥A∥∥v∥,
因此
ρ(A)≤∥A∥.
特别地,ρ(A)≤∥A∥2,但一般不取等号。例如
N=(0010)
满足 ρ(N)=0,而 ∥N∥2=1。
6. 算例
令
A=(13−24).
由绝对列和、绝对行和以及元素平方和可得
∥A∥1=6,∥A∥∞=7,∥A∥F=30.
又因为
AHA=(10101020)
的最大特征值为 15+55,所以
∥A∥2=15+55.
这个例子表明,同一个矩阵在不同范数下通常具有不同的大小。
7. 与奇异值的关系
学完 svd 后,上面的两个范数还可以写成更直观的形式。若 A=0 且
σ1≥⋯≥σr>0
是 A 的正奇异值,r=rank(A),则
∥A∥2=σ1,∥A∥F=(i=1∑rσi2)1/2.
于是前面的范数关系可以加强为
∥A∥2≤∥A∥F≤r∥A∥2.
当 A=0 时,上式相应地理解为 ∥A∥2=∥A∥F=0。前六节不依赖 SVD,因此可以作为构造 SVD 时的前置知识。
8. 总结
- ∥x∥p 衡量向量的大小;∥A∥p 表示由同一个向量 p-范数诱导的算子范数。
- ∥A∥1 是最大绝对列和,∥A∥∞ 是最大绝对行和。
- ∥A∥2=λmax(AHA),它也称为谱范数。
- ∥A∥F2=tr(AHA);Frobenius 范数不是诱导 2-范数。
- 诱导范数和 Frobenius 范数都具有次乘性;谱范数与 Frobenius 范数都具有酉不变性。