第十二讲 满秩分解与奇异值分解
特征值分解与奇异值分解
特征值：一矩阵A作用与一向量a，结果只相当与该向量乘以一常数λ。即A*a=λa，则a 为该矩阵A的特征向量，λ为该矩阵A的特征值。 奇异值：设A为m*n阶矩阵，A H A的n个特征值的非负平方根叫作A的奇异值。记 (A) 为σ i 上一次写了关于PCA与LDA的文章，PCA的实现一般有两种，一种是用特征值分解去实现的，一种是用奇异值分解去实现的。在上篇文章中便是基于特征值分解的一种解释。特征值和奇异值在大部分人的印象中，往往是停留在纯粹的数学计算中。而且线性代数或者矩阵论里面，也很少讲任何跟特征值与奇异值有关的应用背景。奇异值分解是一个有着很明显的物理意义的一种方法，它可以将一个比较复杂的矩阵用更小更简单的几个子矩阵的相乘来表示，这些小矩阵描述的是矩阵的重要的特性。就像是描述一个人一样，给别人描述说这个人长得浓眉大眼，方脸，络腮胡，而且带个黑框的眼镜，这样寥寥的几个特征，就让别人脑海里面就有一个较为清楚的认识，实际上，人脸上的特征是有着无数种的，之所以能这么描述，是因为人天生就有着非常好的抽取重要特征的能力，让机器学会抽取重要的特征，SVD是一个重要的方法。 在机器学习领域，有相当多的应用与奇异值都可以扯上关系，比如做feature reduction的PCA，做数据压缩（以图像压缩为代表）的算法，还有做搜索引擎语义层次检索的LSI（Latent Semantic Indexing） 另外在这里抱怨一下，之前在百度里面搜索过SVD，出来的结果都是俄罗斯的一种狙击枪（AK47同时代的），是因为穿越火线这个游戏里面有一把狙击枪叫做 SVD，而在Google上面搜索的时候，出来的都是奇异值分解（英文资料为主）。想玩玩战争游戏，玩玩COD不是非常好吗，玩山寨的CS有神马意思啊。国内的网页中的话语权也被这些没有太多营养的帖子所占据。真心希望国内的气氛能够更浓一点，搞游戏的人真正是喜欢制作游戏，搞Data Mining的人是真正喜欢挖数据的，都不是仅仅为了混口饭吃，这样谈超越别人才有意义，中文文章中，能踏踏实实谈谈技术的太少了，改变这个状况，从我自己做起吧。 前面说了这么多，本文主要关注奇异值的一些特性，另外还会稍稍提及奇异值的计算，不过本文不准备在如何计算奇异值上展开太多。另外，本文里面有部分不算太深的线性代数的知识，如果完全忘记了线性代数，看本文可能会有些困难。 一、奇异值与特征值基础知识： 特征值分解和奇异值分解在机器学习领域都是属于满地可见的方法。两者有着很紧密的关系，我在接下来会谈到，特征值分解和奇异值分解的目的都是一样，就是提取出一个矩阵最重要的特征。先谈谈特征值分解吧：
奇异值分解的一些特性以及应用小案例
第一部分：预备知识 1.1 矩阵的F-范数与矩阵迹的关系 引理：设m n A R ?∈，令()ij m n A a ?=，则2211 ||||||()()m n T T F ij i j A a tr AA tr A A === ==∑∑；其中，()tr ?定义如下： 令方阵11 12121 22212r r r r rr m m m m m m M m m m ?? ??? ?=???? ?? ，则11221 ()r rr ii i tr M m m m m ==+++=∑ ，即矩阵M 的迹。注意，()tr ?只能作用于方阵。 那么，下面来看下为什么有2211 ||||||()()m n T T F ij i j A a tr AA tr A A === ==∑∑？ 首先，22 11 ||||||m n F ij i j A a === ∑∑这个等式是矩阵F-范数的定义，即一个矩阵的F-范数等于矩阵中每个元素的平方和。 其次，因11121212221 2 ()n n ij m n m m mn a a a a a a A a a a a ???????==?? ???? ，则11 2111222212m m T n n mn a a a a a a A a a a ?? ????=?? ? ? ?? ，易得2211 ()()||||||m n T T ij F i j tr AA tr A A a A ==== =∑∑。（T AA 或T A A 的第r 个对角元素等于第r 行或列元素的平方和，所有对角元素之和就是矩阵每个元素的平方和，即有上式成立。）此过程如图1和图2所示。
雅克比法求矩阵特征值特征向量
C语言课程设计报告 课程名称：计算机综合课程设计 学院：土木工程学院 设计题目：矩阵特征值分解 级别： B 学生姓名： 学号： 同组学生：无 学号：无 指导教师： 2012年 9 月 5 日 C语言课程设计任务书 （以下要求需写入设计报告书） 学生选题说明: 以所发课程设计要求为准，请同学们仔细阅读； 本任务书提供的设计案例仅供选题参考；也可自选，但难易程度需难度相当； 鼓励结合本专业（土木工程、力学）知识进行选题，编制程序解决专业实际问题。
限2人选的题目可由1-2人完成（A级）；限1人选的题目只能由1人单独完成（B级）；设计总体要求: 采用模块化程序设计； 鼓励可视化编程； 源程序中应有足够的注释； 学生可自行增加新功能模块（视情况可另外加分）； 必须上机调试通过； 注重算法运用，优化存储效率与运算效率； 需提交源程序(含有注释)及相关文件(数据或数据库文件)； (cpp文件、txt或dat文件等) 提交设计报告书，具体要求见以下说明。 设计报告格式： 目录 1．课程设计任务书（功能简介、课程设计要求）； 2．系统设计（包括总体结构、模块、功能等，辅以程序设计组成框图、流程图解释）； 3．模块设计（主要模块功能、源代码、注释（如函数功能、入口及出口参数说明，函数调用关系描述等）； 4．调试及测试：（调试方法，测试结果的分析与讨论，截屏、正确性分析）； 5．设计总结：（编程中遇到的问题及解决方法）； 6．心得体会及致谢； 参考文献
1.课程设计任务书 功能简介： a）输入一个对称正方矩阵A，从文本文件读入； b）对矩阵A进行特征值分解，将分解结果：即U矩阵、S矩阵输出至文本文件； c）将最小特征值及对应的特征向量输出至文本文件； d）验证其分解结果是否正确。 提示：A=USU T,具体算法可参考相关文献。 功能说明： 矩阵特征值分解被广泛运用于土木工程问题的数值计算中，如可用于计算结构自振频率与自振周期、结构特征屈曲问题等。 注：以三阶对称矩阵为例 2.系统设计 3.模块设计 #include
主成份(PCA)与奇异值分解(SVD)的通俗解释
主成份(PCA)与奇异值分解(SVD)的通俗解释 主成分分析 1.问题描述 在许多领域的研究与应用中，往往需要对反映事物的多个变量进行大量的观测，收集大量数据以便进行分析寻找规律。多变量大样本无疑会为研究和应用提供了丰富的信息，但也在一定程度上增加了数据采集的工作量，更重要的是在大多数情况下，许多变量之间可能存在相关性，从而增加了问题分析的复杂性，同时对分析带来不便。如果分别对每个指标进行分析，分析往往是孤立的，而不是综合的。盲目减少指标会损失很多信息，容易产生错误的结论。 2.过程 主成分分析法是一种数据转换的技术，当我们对一个物体进行衡量时，我们将其特征用向量（a1,a2,a3,...an）进行表示，每一维都有其对应的variance（表示在其均值附近离散的程度）；其所有维的variance之和，我们叫做总的variance；我们对物体进行衡量时，往往其特征值之间是correlated的，比如我们测量飞行员时，有两个指标一个是飞行技术（x1）,另一个是对飞行的喜好程度（x2），这两者之间是有关联的，即correlated的。我们进行PCA（主成分分析时），我们并
没有改变维数，但是我们却做了如下变换，设新的特征为（x1,x2,x3...,xn）; 其中 1)x1的variance占总的variance比重最大； 2)除去x1,x2的variance占剩下的variance比重最大；.... 依次类推； 最后，我们转换之后得到的(x1,x2,...xn)之间都是incorrelated，我们做PCA时，仅取（x1，x2,....xk）,来表示我们测量的物体，其中，k要小于n。主成分的贡献率就是某主成分的方差在全部方差中的比值。这个值越大，表明该主成分综合X1，X2，…，XP信息的能力越强。如果前k 个主成分的贡献率达到85%，表明取前k个主成分基本包含了全部测量指标所具有的信息，这样既减少了变量的个数又方便于对实际问题的分析和研究。 注意，当（a1,a2,a3,...an）之间都是incorrelated时，我们就没有做PCA的必要了 数据点在上图所示的方向上进行投影后，数据仍然有着很大的variance,但在下图所示的方向上，投影后的数据的variance就很小。
矩阵分解及其简单应用
矩阵分解是指将一个矩阵表示为结构简单或具有特殊性质若干矩阵之积或之和，大体分为三角分解、分解、满秩分解和奇异值分解.矩阵地分解是很重要地一部分内容，在线性代数中时常用来解决各种复杂地问题，在各个不同地专业领域也有重要地作用.秩亏网平差是测量数据处理中地一个难点，不仅表现在原理方面，更表现在计算方面，而应用矩阵分解来得到未知数地估计数大大简化了求解过程和难度. 矩阵地三角分解 如果方阵可表示为一个下三角矩阵和一个上三角矩阵之积，即，则称可作三角分解.矩阵三角分解是以消去法为根据导出地，因此矩阵可以进行三角分解地条件也与之相同，即矩阵地前个顺序主子式都不为，即.所以在对矩阵进行三角分解地着手地第一步应该是判断是否满足这个前提条件，否则怎么分解都没有意义.矩阵地三角分解不是唯一地，但是在一定地前提下，地分解可以是唯一地，其中是对角矩阵.矩阵还有其他不同地三角分解，比如分解和分解，它们用待定系数法来解求地三角分解，当矩阵阶数较大地时候有其各自地优点，使算法更加简单方便.资料个人收集整理，勿做商业用途 矩阵地三角分解可以用来解线性方程组.由于，所以可以变换成，即有如下方程组：资料个人收集整理，勿做商业用途 先由依次递推求得,,……，，再由方程依次递推求得，，……，. 资料个人收集整理，勿做商业用途 必须指出地是，当可逆矩阵不满足时，应该用置换矩阵左乘以便使地个顺序主子式全不为零，此时有：资料个人收集整理，勿做商业用途 这样，应用矩阵地三角分解，线性方程组地解求就可以简单很多了. 矩阵地分解 矩阵地分解是指，如果实非奇异矩阵可以表示为，其中为正交矩阵，为实非奇异上三角矩阵.分解地实际算法各种各样，有正交方法、方法和方法，而且各有优点和不足.资料个人收集整理，勿做商业用途 ．正交方法地分解 正交方法解求分解原理很简单，容易理解.步骤主要有：）把写成个列向量（，，……，），并进行正交化得（，，……，）；) 单位化，并令（，，……，），（，，……，），其中；）. 这种方法来进行分解，过程相对较为复杂，尤其是计算量大，尤其是阶数逐渐变大时，就显得更加不方便.资料个人收集整理，勿做商业用途 ．方法地分解 方法求分解是利用旋转初等矩阵，即矩阵()来得到地，()是正交矩阵，并且(()).()地第行第列 和第行第列为，第行第列和第行第列分别为和，其他地都为.任何阶实非奇异矩阵可通过左连乘()矩阵（乘积为）化为上三角矩阵，另，就有.该方法最主要地是在把矩阵化为列向量地基础上找出和，然后由此把矩阵地一步步向上三角矩阵靠近.方法相对正交方法明显地原理要复杂得多，但是却计算量小得多，矩阵()固有地性质很特别可以使其在很多方面地应用更加灵活.资料个人收集整理，勿做商业用途 ．方法地分解 方法分解矩阵是利用反射矩阵，即矩阵，其中是单位列向量，是正交矩阵，.可以证明，两个矩阵地乘积就是矩阵，并且任何实非奇异矩阵可通过连乘矩阵（乘积为）化为上三角矩阵，则.这种方法首要地就是寻找合适地单位列向量去构成矩阵，
SVD奇异值分解
有关SVD奇异值分解的研究 ZDP 有关SVD奇异值分解，主要看了两个方面的内容：1.关于矩阵的SVD分解。 2.SVD所代表的最小二乘问题。主要是为了用SVD求取最小二乘解。 1. 关于矩阵的SVD分解：相当于主成分分析，找出哪些特征比较重要。奇异值的大小代表了左奇异向量和右奇异向量的重要程度。舍弃一些小奇异值对应的向量相当于消除一些没有太大影响的特征，从而提取出矩阵的主要特征。可以用于压缩从而减少内存的使用，以及滤波去噪。 2．关于最小二乘主要参考了网上的一份资料，SVD（奇异值分解）算法及其评估，在附件中可以找到。 这里主要说一下看资料时遇到的问题以及一些注意事项。矩阵的乘法本质上就是进行坐标的变换，由一种坐标系转变为另一种坐标系的过程。由行空间的一组正交基经由A矩阵变换为列空间一组正交基的过程。A?V=U?Σ。A=U?Σ?V T这里U为A的列空间正交基，Σ为奇异值，V为行空间正交基。V中所谓的行空间正交基，是[V1,V2,??,V n]，也是列向量的形式。 针对方程组：A?X=b可以理解成X向量经由矩阵A变换成了b向量。同时可以表示成U?Σ?V T?X=b这里要注意是X向量的变换为从右向左的。V T?X为第一次变换，?Σ为第二次变换，?U为第三次变换。 从另一个角度看坐标变换的问题，A?V=U?Σ这个式子可以理解为一组正交基经矩阵A变换成了另一组正交基，这里Σ为缩放因子。 方程组的解X=V?Σ+?U T?b这里由于矩阵A不一定为方阵，引入广义逆的概念将SVD的应用范围进行了推广。 进行SVD的具体数值解法在文章中都有具体的介绍，这里介绍两个比较有意思的公式：A T A=V?ΣTΣ?V T；AA T=U?ΣΣT?U T。其中A T A为对称正定阵，V为A T A的特征向量，U为AA T的特征向量，ΣTΣ=ΣΣT为特征值。 https://www.sodocs.net/doc/ec18960673.html,/s/blog_b1b831150101ey41.html
奇异值分解及其应用
奇异值分解及其应用 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
PCA的实现一般有两种，一种是用特征值分解去实现的，一种是用奇异值分解去实现的。特征值和奇异值在大部分人的印象中，往往是停留在纯粹的数学计算中。而且线性代数或者矩阵论里面，也很少讲任何跟特征值与奇异值有关的应用背景。奇异值分解是一个有着很明显的物理意义的一种方法，它可以将一个比较复杂的矩阵用更小更简单的几个子矩阵的相乘来表示，这些小矩阵描述的是矩阵的重要的特性。就像是描述一个人一样，给别人描述说这个人长得浓眉大眼，方脸，络腮胡，而且带个黑框的眼镜，这样寥寥的几个特征，就让别人脑海里面就有一个较为清楚的认识，实际上，人脸上的特征是有着无数种的，之所以能这么描述，是因为人天生就有着非常好的抽取重要特征的能力，让机器学会抽取重要的特征，SVD是一个重要的方法。 在机器学习领域，有相当多的应用与奇异值都可以扯上关系，比如做feature reduction的PCA，做数据压缩（以图像压缩为代表）的算法，还有做搜索引擎语义层次检索的LSI（Latent Semantic Indexing） 奇异值与特征值基础知识 特征值分解和奇异值分解在机器学习领域都是属于满地可见的方法。两者有着很紧密的关系，我在接下来会谈到，特征值分解和奇异值分解的目的都是一样，就是提取出一个矩阵最重要的特征。先谈谈特征值分解吧： 如果说一个向量v是方阵A的特征向量，将一定可以表示成下面的形式： 这时候λ就被称为特征向量v对应的特征值，一个矩阵的一组特征向量是一组正交向量。特征值分解是将一个矩阵分解成下面的形式： 其中Q是这个矩阵A的特征向量组成的矩阵，Σ是一个对角阵，每一个对角线上的元素就是一个特征值。我这里引用了一些参考文献中的内容来说明一下。首先，要明确的是，一个矩阵其实就是一个线性变换，因为一个矩阵乘以一个向量后得到的向量，其实就相当于将这个向量进行了线性变换。比如说下面的一个矩阵： 它其实对应的线性变换是下面的形式：
2019机器学习中的数学 5 强大的矩阵奇异值分解 SVD.doc
机器学习中的数学 5 强大的矩阵奇异 值分解SVD 机器学习中的数学(5)-强大的矩阵奇异值分解(SVD)及其应用 版权声明： 本文由LeftNotEasy发布于本文可以被全部的转载或者部分使用，但请注明出处，如果有问题，请联系wheeleast@https://www.sodocs.net/doc/ec18960673.html, 前言： 上一次写了关于PCA与LDA的文章，PCA的实现一般有两种，一种是用特征值分解去实现的，一种是用奇异值分解去实现的。在上篇文章中便是基于特征值分解的一种解释。特征值和奇异值在大部分人的印象中，往往是停留在纯粹的数学计算中。而且线性代数或者矩阵论里面，也很少讲任何跟特征值与奇异值有关的应用背景。奇异值分解是一个有着很明显的物理意义的一种方法，它可以将一个比较复杂的矩阵用更小更简单的几个子矩阵的相乘来表示，这些小矩阵描述的是矩阵的重要的特性。就像是描述一个人一样，给别人描述说这个人长得浓眉大眼，方脸，络腮胡，而且带个黑框的眼镜，这样寥寥的几个特征，就让别人脑海里面就有一个较为清楚的认识，实际上，人脸上的特征是有着无数种的，之所以能这么描述，是因为人天生就有着非常好的抽取重要特征的能力，让机器学会抽取重要的特征，SVD是一个重要的方法。 在机器学习领域，有相当多的应用与奇异值都可以扯上关系，比如做feature reduction的PCA，做数据压缩(以图像压缩为代表)的算法，还有做搜索引擎语义层次检索的LSI(Latent Semantic Indexing) 另外在这里抱怨一下，之前在百度里面搜索过SVD，出来的结果都是俄罗斯的一种狙击枪(AK47同时代的)，是因为穿越火线这个游戏里面有一把狙击枪叫做SVD，而在Google上面搜索的时候，出来的都是奇异值分解(英文资料为主)。想玩玩战争游戏，玩玩COD不是非常好吗，玩山寨的CS有神马意思啊。
矩阵的奇异值分解及其应用
矩阵的奇异值分解（SVD）及其应用 版权声明： 本文由LeftNotEasy发布于https://www.sodocs.net/doc/ec18960673.html,, 本文可以被全部的转载或者部分使用，但请注明出处，如果有问题，请联系wheeleast@https://www.sodocs.net/doc/ec18960673.html, 前言： 上一次写了关于PCA与LDA的文章，PCA的实现一般有两种，一种是用特征值分解去实现的，一种是用奇异值分解去实现的。在上篇文章中便是基于特征值分解的一种解释。特征值和奇异值在大部分人的印象中，往往是停留在纯粹的数学计算中。而且线性代数或者矩阵论里面，也很少讲任何跟特征值与奇异值有关的应用背景。奇异值分解是一个有着很明显的物理意义的一种方法，它可以将一个比较复杂的矩阵用更小更简单的几个子矩阵的相乘来表示，这些小矩阵描述的是矩阵的重要的特性。就像是描述一个人一样，给别人描述说这个人长得浓眉大眼，方脸，络腮胡，而且带个黑框的眼镜，这样寥寥的几个特征，就让别人脑海里面就有一个较为清楚的认识，实际上，人脸上的特征是有着无数种的，之所以能这么描述，是因为人天生就有着非常好的抽取重要特征的能力，让机器学会抽取重要的特征，SVD是一个重要的方法。 在机器学习领域，有相当多的应用与奇异值都可以扯上关系，比如做feature reduction的PCA，做数据压缩（以图像压缩为代表）的算法，还有做搜索引擎语义层次检索的LSI（Latent Sem antic Indexing） 另外在这里抱怨一下，之前在百度里面搜索过SVD，出来的结果都是俄罗斯的一种狙击枪（AK47同时代的），是因为穿越火线这个游戏里面有一把狙击枪叫做SVD，而在Google上面搜索的时候，出来的都是奇异值分解（英文资料为主）。想玩玩战争游戏，玩玩COD不是非常好吗，玩山寨的CS有神马意思啊。国内的网页中的话语权也被这些没有太多营养的帖子所占据。真心希望国内的气氛能够更浓一点，搞游戏的人真正是喜欢制作游戏，搞Data Mining的人是真正喜欢挖数据的，都不是仅仅为了混口饭吃，这样谈超越别人才有意义，中文文章中，能踏踏实实谈谈技术的太少了，改变这个状况，从我自己做起吧。 前面说了这么多，本文主要关注奇异值的一些特性，另外还会稍稍提及奇异值的计算，不过本文不准备在如何计算奇异值上展开太多。另外，本文里面有部分不算太深的线性代数的知识，如果完全忘记了线性代数，看本文可能会有些困难。 一、奇异值与特征值基础知识： 特征值分解和奇异值分解在机器学习领域都是属于满地可见的方法。两者有着很紧密的关系，我在接下来会谈到，特征值分解和奇异值分解的目的都是一样，就是提取出一个矩阵最重要的特征。先谈谈特征值分解吧： 1）特征值： 如果说一个向量v是方阵A的特征向量，将一定可以表示成下面的形式：
第八章矩阵的特征值与特征向量的数值解法
第八章 矩阵的特征值与特征向量的数值解法 某些工程计算涉及到矩阵的特征值与特征向量的求解。如果从原始矩阵出发,先求出特征多项式,再求特征多项式的根，在理论上是无可非议的。但一般不用这种方法，因为了这种算法往往不稳定．常用的方法是迭代法或变换法。本章介绍求解特征值与特征向量的一些方法。 §1 乘幂法 乘幂法是通过求矩阵的特征向量来求特征值的一种迭代法,它适用于求矩阵的按模最大的特征值及对应的特征向量。 定理８·1 设矩阵Ａn ×n 有n 个线性无关的特征向量X ｉ（ｉ=1,２,…,n)，其对应的特征值λi (ｉ ＝1,2，…，n)满足 ｜λ１|＞|λ2｜≧…≧|λn ｜ 则对任何ｎ维非零初始向量Z ０，构造Ｚk ＝ AZ k-1 11()lim ()k j k k j Z Z λ→∞ -= (8·1) 其中(Ｚk )ｊ表示向量Z k 的第ｊ个分量。 证明 : 只就λｉ是实数的情况证明如下。 因为A 有n 个线性无关的特征向量X i ,(i = １,2,…,n)用X ｉ(ｉ = 1,2,…，n)线性表示,即Z 0=α1X 1 + α2Ｘ2 +用A 构造向量序列{Z k }其中 ? 21021010, ,k k k Z AZ Z AZ A Z Z AZ A Z -=====， (8.2） 由矩阵特征值定义知ＡＸi =λi X i (i=1,２, …,n),故 ? 0112211122211121k k k k k n n k k k n n n k n k i i i i Z A Z A X A X A X X X X X X ααααλαλαλλλααλ===++ +=+++???? ??=+ ?????? ? ∑ (８.3） 同理有 1 1 11 1121k n k i k i i i Z X X λλααλ---=? ? ????=+ ????? ? ? ∑ (8．４) 将(8.３）与(8．4)所得Ｚk 及Z k-１的第j 个分量相除，设α1≠0，并且注意到 |λi |<|λ1|(i=1,２,…，n ）得
矩阵的奇异值分解
§2 矩阵的奇异值分解 定义 设A 是秩为r 的m n ?复矩阵，T A A 的特征值为 1210r r n λλλ>λλ+≥≥ ≥===. 则称i σ=(1,2, ,)i n =为A 的奇异值. 易见，零矩阵的奇异值都是零，矩阵A 的奇异值的个数等于A 的列数，A 的非零奇异值的个数等于其秩. 矩阵的奇异值具有如下性质： （1）A 为正规矩阵时，A 的奇异值是A 的特征值的模； （2）A 为半正定的Hermite 矩阵时，A 的奇异值是A 的特征值； （3）若存在酉矩阵,m m n n ??∈∈U V C C ，矩阵m n ?∈B C ，使=UAV B ，则称A 和B 酉等价.酉等价的矩阵A 和B 有相同的奇异值. 奇异值分解定理 设A 是秩为r (0)r >的m n ?复矩阵，则存在m 阶酉矩阵U 与n 阶酉矩阵V ，使得 H ?? ==?? ?? O U AV O O ∑?. ① 其中12diag(,,,)r σσσ=∑，i σ(1,2,,)i r =为矩阵A 的全部非零奇异值. 证明 设Hermite 矩阵H A A 的n 个特征值按大小排列为 1210r r n λλλ>λλ+≥≥ ≥===. 则存在n 阶酉矩阵V ，使得 1 2 H H ()n λλ???? ??==??? ??? ??? ? O V A A V O O ∑. ②
将V 分块为 12()=V V V ， 其中1V ，2V 分别是V 的前r 列与后n r -列. 并改写②式为 2 H ??=? ??? O A AV V O O ∑. 则有 H 2H 112==A AV V A AV O ， ∑. ③ 由③的第一式可得 H H 2H 1111()()r ==V A AV AV AV E ， 或者∑∑∑. 由③的第二式可得 H 222()() ==AV AV O AV O 或者. 令111-=U AV ∑，则H 11r =U U E ，即1U 的r 个列是两两正交的单位向量.记作112(,,,)r =U u u u ， 因此可将12,,,r u u u 扩充成m C 的标准正交基， 记增添的向量为1, ,r m +u u ，并构造矩阵21(, ,)r m +=U u u ，则 12121(,)(,, ,,, ,)r r m +==U U U u u u u u 是m 阶酉矩阵,且有 H H 1121 r ==U U E U U O ，. 于是可得 H H H 1 121H 2()()????===???? ???? O U U AV U AV AV U O O O U ，，∑∑. 由①式可得 H H H H 111222r r r σσσ??==+++???? O A U V u v u v u v O O ∑. ④ 称④式为矩阵A 的奇异值分解. 值得注意的是：在奇异值分解中121,, ,,, ,r r m +u u u u u 是H AA 的特征 向量，而V 的列向量是H A A 的特征向量，并且H AA 与H A A 的非零特征值
奇异值分解
奇异值分解(SVD) --- 几何意义 奇异值分解( The singular value decomposition ) 该部分是从几何层面上去理解二维的SVD：对于任意的 2 x 2 矩阵，通过SVD可以将一个相互垂直的网格(orthogonal grid)变换到另外一个相互垂直的网格。 我们可以通过向量的方式来描述这个事实: 首先，选择两个相互正交的单位向 量v1 和v2, 向量M v1和M v2正交。 u1和u2分别表示M v1和M v2的单位向量， σ1* u1= M v1和σ2* u2= M v2。σ1和σ2分别表示这不同方向向量上的模，也称作为矩阵M的奇异值。
这样我们就有了如下关系式 M v1= σ1u1 M v2= σ2u2 我们现在可以简单描述下经过M线性变换后的向量x 的表达形式。由于向量 v1和v2是正交的单位向量，我们可以得到如下式子： x = (v1x) v1 + (v2x) v2 这就意味着： M x = (v1x) M v1 + (v2x) M v2 M x = (v1x) σ1u1 + (v2x) σ2u2 向量内积可以用向量的转置来表示，如下所示 v x = v T x 最终的式子为 M x = u1σ1v1T x + u2σ2v2T x M = u1σ1v1T + u2σ2v2T 上述的式子经常表示成 M = UΣV T u 矩阵的列向量分别是u1,u2 ，Σ是一个对角矩阵，对角元素分别是对应的σ1和σ2，V 矩阵的列向量分别是v1,v2。上角标T表示矩阵V 的转置。 这就表明任意的矩阵M是可以分解成三个矩阵。V 表示了原始域的标准正交基，u 表示经过M 变换后的co-domain的标准正交基，Σ表示了V 中的向量与u 中相对应向量之间的关系。(V describes an orthonormal basis in the domain, and U describes an orthonormal basis in the co-domain, and Σ describes how much the vectors in V are stretched to give the vectors in U.) 如何获得奇异值分解？( How do we find the singular decomposition? ) 事实上我们可以找到任何矩阵的奇异值分解，那么我们是如何做到的呢？假设在 原始域中有一个单位圆，如下图所示。经过M 矩阵变换以后在co-domain中单位圆会变成一个椭圆，它的长轴(M v1)和短轴(M v2)分别对应转换后的两个标准正交向量，也是在椭圆范围内最长和最短的两个向量。
SVD分解
数学之美之SVD分解2012-07-03 10:48:59 分类：C/C++ 所谓SVD，就是要把矩阵进行如下转换：A = USV T the columns of U are the eigenvectors of the AA T matrix and the columns of V are the eigenvectors of the A T A matrix. V T is the transpose of V and S is a diagonal matrix. By definition the nondiagonal elements of diagonal matrices are zero. The diagonal elements of S are a special kind of values of the original matrix. These are termed the singular values of A. 1 The Frobenius Norm 一个矩阵所有元素的平方和再开方称为这个矩阵的Frobenius Norm。特殊情况下，行矩阵的Frobenius Norm 为该向量的长度 2 计算A转置 A*At At*A
3 计算S 在SVD中，将AAt的特征值从大到小排列，并开方，得到的就是奇异值。 比如上图中，特征值为40，10.因此奇异值为6.32,3.16。矩阵的奇异值有如下特性： a 矩阵的奇异值乘积等于矩阵行列式的值 6.32*3.16 = 20 = |A| b 矩阵A的 Frobenius Norm等于奇异值的平方和的开方 总结一下计算S的步骤：1 计算A T和A T A；2 计算A T A的特征值，排序并开方。 由此可以得到S，下面来看如何计算 U，V T 4 计算V和V T 利用A T A的特征值来计算特征向量
奇异值分解及其应用
PCA的实现一般有两种，一种是用特征值分解去实现的，一种是用奇异值分解去实现的。特征值和奇异值在大部分人的印象中，往往是停留在纯粹的数学计算中。而且线性代数或者矩阵论里面，也很少讲任何跟特征值与奇异值有关的应用背景。奇异值分解是一个有着很明显的物理意义的一种方法，它可以将一个比较复杂的矩阵用更小更简单的几个子矩阵的相乘来表示，这些小矩阵描述的是矩阵的重要的特性。就像是描述一个人一样，给别人描述说这个人长得浓眉大眼，方脸，络腮胡，而且带个黑框的眼镜，这样寥寥的几个特征，就让别人脑海里面就有一个较为清楚的认识，实际上，人脸上的特征是有着无数种的，之所以能这么描述，是因为人天生就有着非常好的抽取重要特征的能力，让机器学会抽取重要的特征，SVD是一个重要的方法。 在机器学习领域，有相当多的应用与奇异值都可以扯上关系，比如做feature reduction的PCA，做数据压缩（以图像压缩为代表）的算法，还有做搜索引擎语义层次检索的LSI（Latent Semantic Indexing） 奇异值与特征值基础知识 特征值分解和奇异值分解在机器学习领域都是属于满地可见的方法。两者有着很紧密的关系，我在接下来会谈到，特征值分解和奇异值分解的目的都是一样，就是提取出一个矩阵最重要的特征。先谈谈特征值分解吧： 特征值
如果说一个向量v是方阵A的特征向量，将一定可以表示成下面的形式： 这时候λ就被称为特征向量v对应的特征值，一个矩阵的一组特征向量是一组正交向量。特征值分解是将一个矩阵分解成下面的形式： 其中Q是这个矩阵A的特征向量组成的矩阵，Σ是一个对角阵，每一个对角线上的元素就是一个特征值。我这里引用了一些参考文献中的内容来说明一下。首先，要明确的是，一个矩阵其实就是一个线性变换，因为一个矩阵乘以一个向量后得到的向量，其实就相当于将这个向量进行了线性变换。比如说下面的一个矩阵： 它其实对应的线性变换是下面的形式： 因为这个矩阵M乘以一个向量(x,y)的结果是：
矩阵的奇异值分解及数值实现
矩阵的奇异值分解及数值实现 1.引言 矩阵的奇异值分解是数学研究中一种重要的方法, 除了其理论价值外,在工程领域中的应用也很普遍。例如: 在最优化问题、特征值问题、广义逆矩阵计算、高质量的统计计算、信号和图像处理、系统辨识、滤波器设计、谱估计、时间序列分析、控制理论和酉不变范数理论等领域, 奇异值分解都占有极其重要的作用同时它在求线性方程组的数组时也经常使用。它的核心在于在求出矩阵的有效秩的同时不改变矩阵的有关度量特性, 这对统计和检测数据的处理有很重要的作用。但矩阵奇异值分解的严重不足之处在于速度慢、计算量和存储量相当大, 并且到现在仍然没有计算矩阵的奇异值分解的快速算法。因此研究奇异值分解的快速算法,在理论上和工程实际中都有重要意义。 2.矩阵的奇异值分解 在数值分析中,矩阵的奇异值分解具有相当重要的作用, 因此在求矩阵的奇异值分解时, 必须掌握矩阵的奇异值分解的理论及相关概念。 2.1 矩阵的奇异值相关定义 定义2.1.1对于任一个mn阶复(实)矩阵A,设AH(AT)为A的共轭转置矩阵，则AHA的n个特征值的非负平方根称为A的奇异值,也就是A共有n个奇异值，且全部》0。AHA是一个半正定矩
阵,所以它的特征值》0。 设A?HYCmn(r>0),AHA的特征值 为？％d1>?%d夢…》?%dr>?%dr+1=- =?%dn=0则 称？％li=(i=1,2,…,n)为A的奇异值。 从定义可以看出以下性质: (1)mn 矩阵的奇异值的个数等于列数; (2)AHA和AAH的非零特征值相同,A的非零奇异值的个数等 于r?%ZnkA。 定义2。1。2设A为复数域C上的n阶矩阵,如果存在 数？％d?HY(和非零的n维向量x,使得Ax=?%dx就称？％d是矩阵A 的特征值,x是A的属于(或对应于)特征值？％d的特征向量。 定义2。1。3 设mn矩阵A?HYCmn,r?%ZnkA=r(r>0),则AHA 和AAH的特征值都是非负实数。 3.矩阵奇异值分解的性质 既然矩阵奇异值分解在计算中有如此重要的作用, 当然它就具有一些重要的性质, 并且这些性质的应用也相当广泛。 性质3.1 A的奇异值由A惟一确定，但酉矩阵U和V不惟一，故矩阵A的奇异值分解一般不惟一。 性质 3.2 奇异值分解可以计算出矩阵的条件数。 设A?HYCmn且存在可逆矩阵P使得 P- 1AP=di?%Zg(?%d1 …,？％dn),则称？UP-1?U|| PII 为矩阵A关于特征值问题的条件数, 记为k(P) 。
矩阵分解——SVD分解
定义：设A 是m*n 矩阵，A H A 的特征值为0..........121===≥≥≥≥+n r r λλλλλ，则称 )....3,2,1......(r i i i ==λσ为矩阵A 的奇异值， r 为A 的秩。存在m 阶酉矩阵U 和N 阶酉矩阵V ，使得V U A r N r M r r M r N r ???? ?? ??=-?-?--?∑ )()()() (000，其中????? ?????? ?=∑r σσσ.... 2 1 。 在matlab 中的实现为： （1）S=svd(A) -----仅返回A 的奇异值S （2）[U,S,V]=svd(A) ------返回完全的形式 ????? ??????? 128 4 11731062951 构造矩阵 >> A=reshape(1:12,4,3) A = 1 5 9 2 6 10 3 7 11 4 8 12 求矩阵的奇异值 >> S=svd(A) S = 25.4368 1.7226 0.0000 矩阵的分解 >> [U,S,V]=svd(A) U = -0.4036 0.7329 0.4120 0.3609 -0.4647 0.2898 -0.8184 -0.1741 -0.5259 -0.1532 0.4006 -0.7345 -0.5870 -0.5962 0.0057 0.5477 S = 25.4368 0 0 0 1.7226 0 0 0 0.0000 0 0 0 V = -0.2067 -0.8892 0.4082
-0.8298 0.3804 0.4082 在这里我们知道， U*S*V ans = 1.4682 8.8076 -5.2222 2.1852 10.3842 -5.2338 2.9021 11.9609 -5.2455 3.6191 13.5375 -5.2572 其并不为原始的A. 应用：很多情况下，线性方程组Ax=b 没有解，因此我们计算其最小二乘解，即使得||Ax-b||2最小的x ，设A 的SVD 分解为V U A r N r M r r M r N r ???? ?? ?? =-?-?--?∑ )()()() (000， 由于2-范数具有酉不便性，因此||Ax-b||2=b Vx U r N r M r r M r N r -?????? ? ? -?-?--?∑ )()()() (000=b U Vx H r N r M r r M r N r -???? ?? ??-?-?--?∑ )()()() (000，由 此Ax=b 的最小二乘解即是b U Vx H r N r M r r M r N r =???? ?? ?? -?-?--?∑ )()()() (000的最小二乘解。 令Vx y =，b U c H =，c y r N r M r r M r N r =???? ?? ?? -?-?--?∑ )()()() (000的最小二乘解为 ]0....,0,0,,..... ,[ 2 2 11 r r c c c y σσσ=，所以原方程组的最小二乘解为：y V x H =。 示例：求线性方程组?? ?? ? ?????=???????? ??3214232 21 x 构造矩阵 >> A=[1 2;2 3;2 4]; >> b=[1 2 3]'; 判断有无解 >> rank(A) ans = 2 >> rank([A,b]) ans = 3 由于rank(A)！= rank([A,b])，所以方程无解。 求解U,S,V >> [U,S,V]=svd(A) U =
特征值分解及奇异值分解在数字图像中的应用
特征值分解及奇异值分解在数字图像中的应用 摘要：目前，随着科学技术的高速发展，现实生活中有大量的信息用数字进行存储、处理和传送。而传输带宽、速度和存储器容量等往往有限制，因此数据压缩就显得十分必要。数据压缩技术已经是多媒体发展的关键和核心技术。图像文件的容量一般都比较大，所以它的存储、处理和传送会受到较大限制，图像压缩就显得极其重要。当前对图像压缩的算法有很多，特点各异，类似JPEG 等许多标准都已经得到了广泛的应用。本文在简单阐述了矩阵特征值的数值求解理论之后，介绍了几种常用的求解矩阵特征值的方法，并最终将特征值计算应用到图像压缩中。以及奇异值分解(Singular Value Decomposition ，SVD) 。奇异值分解是一种基于特征向量的矩阵变换方法，在信号处理、模式识别、数字水印技术等方面都得到了应用。由于图像具有矩阵结构，有文献提出将奇异值分解应用于图像压缩[2]，并取得了成功，被视为一种有效的图像压缩方法。本文在奇异值分解的基础上进行图像压缩。 关键词：特征值数值算法；奇异值分解；矩阵压缩；图像处理 引言 矩阵的特征值计算虽然有比较可靠的理论方法，但是，理论方法只适合于矩阵规模很小或者只是在理论证明中起作用，而实际问题的数据规模都比较大，不太可能采用常规的理论解法。计算机擅长处理大量的数值计算，所以通过适当的数值计算理论，写成程序，让计算机处理，是一种处理大规模矩阵的方法，而且是一种好的方法。常用的特征值数值方法包括幂法、反幂法、雅克比方法、QR 分解法等。其中，幂法适用于求解矩阵绝对值最大的特征值，反幂法适合求解矩阵的逆矩阵的特征值，雅克比方法适合求解对称矩阵的特征值，QR分解法主要使用于求中小型矩阵以及对称矩阵的全部特征值。矩阵乘以一个向量的结果仍是同维数的一个向量。因此，矩阵乘法对应了一个变换，把一个向量变成同维数的另一个向量，变换的效果当然与方阵的构造有密切关系。图像压缩处理就是通过矩阵理论减少表示数字图像时需要的数据量，从而达到有效压缩。数字图像的质量很大程度上取决于取样和量化的取样数和灰度级。取样和量化的结果是一个实际的矩阵。图像压缩是数据压缩技术在数字图像上的应用，它的目的是减少图像数据中的冗余信息从而用更加高效的格式存储和传输数据。图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗
矩阵的奇异值分解在数字图像处理的应用
矩阵的奇异值分解 在数字图像处理的应用浅析 学院：··· 专业：·· 姓名：·· 学号：·· 2011年11月6日
目录 一、绪论 ................................................................................................................................. - 1 - 二、数字图像处理简介 ............................................................................................................. - 2 - 三、矩阵的奇异值分解原理 ..................................................................................................... - 4 - 3.1 矩阵的奇异值 ............................................................................................................. - 4 - 3.2 矩阵的奇异值分解（SVD） ....................................................................................... - 4 - 四、奇异值分解的图像性质 ..................................................................................................... - 5 - 五、图像的奇异值分解压缩方法 ............................................................................................. - 7 - 5.1 奇异值分解压缩原理分析 ......................................................................................... - 7 - 5.2 奇异值分解压缩应用过程 ......................................................................................... - 8 - 六、小结 ................................................................................................................................. - 9 -