SciTech-Mathmatics - Matrix Analysis:矩阵分析

Matrix Analysis 重要结论

\(\large \text{ Matrix Transformation }\)(矩阵变换) 亦为 \(\large \text{ Linear Transformation }\)(线性变换).

  1. 要严格区分 Transformation(变换) 与 Function(函数):

    Functions(函数) 与 Transformation(变换)
  2. Matrix视为"Linear Space"的"Transformation(变换)与Operation(运算)";
  3. 同LinearSpace(线性空间)的"任意两个非零Vectors通过"Matrix变换"互相转化;
  4. "方阵(满秩)"不改变变换前后的两非零Vectors的"Dimensions(维数)"
  5. "非方阵"变换改变(升或降)前后两非零Vectors的"Dimensions(维数)"

Linear Space + Vector + Matrix 视角

  1. \(\large \text{Linear Space } \bf{K^n}\)上, 任一 \(\large \text{ Vector } \bf{ V_{a_{ n \times 1 }} }\) 通过 \(\large \text{ Matrix Transformation }\)后的 \(\large \text{ Vector } \bf{ V_{b_{n \times 1}} }\) 仍在同一 \(\large \bf{K^n}\)

  2. \(\large \text{Linear Space } \bf{K^n}\)上, 任何两个 \(\large \text{ Vector } \bf{ V_{a_{n \times 1}} \neq 0 } \text{ 与 } \bf{ V_{b_{n \times 1}} \neq 0 }\) 都能通过一组合适的 \(\large \text{Fundamental Transformation } A_{n \times n}\) (基本线性变换) 实现互相转化, 即 \(\large \exists A_{n \times n} \in \bf{K^n} , \ 使\ A_{n \times n} \bf{ V_{a_{n \times 1}} } = \bf{ V_{b_{n \times 1}} }\) 。

    例如在 \(\large \text{Linear Space } \bf{R^2}(2D空间)\)上的 \(\large \text{Fundamental Transformation }\)(基本线性变换)只有 \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\) 与 \(\large \bf{\text{ Scale(伸缩)} }\) 两种(后文有独立章节).

  3. 任一\(\large \text{ Matrix Transformation }\) 都能

    分解为一组 \(\large \text{Fundamental Linear Transformation }\)(基本线性变换).

  4. 两大类 \(\large \text{ Matrix Transformation }\)(矩阵变换)

    • 方阵(满秩) 这种特殊的 \(\large \text{ Matrix Transformation }\) 不改变变换前后 两个Vector的“Dimensions(维数)”。

    • 非方阵 种类 \(\large \text{ Matrix Transformation }\) 升或降 Vector的Dimensions(维数)

方阵 的 Matrix Transformation

注意:

"非方阵"变换改变(升或降)前后两非零Vectors的"Dimensions(维数)".

\(\large \text{Fundamental Transformation }\)(基本的 线性变换):

  1. \(\large \bf{ \text{Scale(伸缩)} }\) : \(\large Av = \lambda v = \lambda \bf{I} v\)

    \(\large (\bf{ \lambda I } - A) V = 0 \bf{\text{ 是 Eigenvalue Decomposition 的核心公式 } }\)
  2. \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\) : \(\large A^x v = \lambda v\)

    \(\large Vector\ V \text{ 作 } x \text{ 次 } Matrix \ Transformation\ A \text{ 就可能 } 与\ V\ \bf{方向重合}\)

    如$ x \text{ 依序取 } (1,2,\cdots, n)$ 时 $\large (\lambda \bf{I} - A^x) v $ 就可能趋近或等于 0。

\(\large \text{Possible Transformation }\)(可能的 线性变换):

\(\large \text{Linear Space } \bf{K^n}\)上, \(\large \bf{\text{ 方阵 A } }\) 对 任何一个 \(\large \text{ Vector } \bf{V}\), \(\large \bf{ 只有 } \text{ 三种线性变换的可能 }\):

  • \(\large \text{Fundamental Transformation }\):

    \(\large \bf{ \text{Scale(伸缩)} }\) : \(\large Av = \lambda v = \lambda \bf{I} v\) 或 \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\)
  • \(\large \bf{\text{ Rotation(伸缩) } }\) 并且 \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\)

\(\large \bf{ K^{n} } \text{ 的通用 } \bf{Scale} 及 Example(\bf{R^{2}})\)

\(\large \bf{K^{n}} \text{ 特征值分解 } 的 \bf{推导}\):

\(\large \begin{array}{ll} \because & A_{scale} V = \bf{ \lambda I } V = \bf{ \lambda } V \\ \therefore & \begin{cases} (\bf{ \lambda I } - A) V = 0, \ \text{ the } Characteristic\ Polynomial \text{ for matrix } A \\ |\bf{ \lambda I } - A| = 0 \end{cases} \end{array}\)

\(\large \begin{array}{ll} \\ \bf{注} & V = \begin{bmatrix} v_1 \\ \vdots \\ v_n \end{bmatrix} \bf{ \neq 0 } , where\ v_i \in K, \ i \in [1, n]. \\ & 即\ \bf{ V }\ 是 \text{非零} 的 \text{ 列向量 } \end{array}\)

\(\large \bf{K^{n}} \text{ 特征值分解 } 的 \bf{策略}\):

\(\large \begin{array}{ll} 1. & |\bf{ \lambda I } - A|=0 \Leftarrow \text{ 可先解出 } A \text{ 的所有 } Eigenvalues, \end{array}\)

\(\large \begin{array}{ll} 2. & (\bf{ \lambda I } - A) V = 0 \Leftarrow \text{ 一一代入 }Eigenvalue \text{ 得其所有 } Eigenvectors \end{array}\)

\(\large \bf{R^{2}} 的Example :\) 求 \(\large \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ -1 & 4 \end{bmatrix}\) 全部 特征值和特征向量

\(\large \begin{array}{ll} \because & 0 = |\bf{ \lambda I } - A| = \begin{vmatrix} \lambda - 1 & 0-2 \\ 0-(-1) & \lambda - 4 \end{vmatrix} \\ & \ = \lambda^{2} -5\lambda + 6 = (\lambda-2)(\lambda -3) = 0 \\ \therefore & \bf{ \lambda = 2 \ or \ \lambda = 3 } \end{array}\)

\(\large \begin{array}{ll} let & V= \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \end{bmatrix} \bf{ \neq 0 }, \{v_i | v_i \in K, i \in \{1,2\}\}, \ 因为\text{ V 是非零列向量. } \end{array}\)

\(\large for \ Eigenvalue\ \lambda = 2 :\)

\(\large \begin{array}{ll} \because & (\bf{ \lambda I } - A) V = (\bf{ 2 I } - A) V = \begin{bmatrix} \lambda - 1 & 0-2 \\ 0-(-1) & \lambda - 4 \end{bmatrix} V \\ & = \begin{bmatrix} 1 & -2 \\ 1 & -2 \end{bmatrix} V = \begin{bmatrix} 1 & -2 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} v_1 - 2v_2 \\ 0 \end{bmatrix} = 0 \\ & \Rightarrow v_1 - 2v_2 = 0 , or \ v_1 = 2v_2, \text{ where } v_2 \text{ is a freedom variable } \\ & let \ V_{base} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix} \\ \therefore & \text{All Eigenvectors for } \lambda = 2 \text{ are } \\ & \bf{ \{ V | V=k V_{base}, k \in K, k \neq 0, V_{base} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix} \} } \end{array}\)

\(\large for \ Eigenvalue\ \lambda = 3, \ Similarly:\)

\(\large \begin{array}{ll} \because & (\bf{ \lambda I } - A) V = (\bf{ 3 I } - A) V = \begin{bmatrix} \lambda - 1 & 0-2 \\ 0-(-1) & \lambda - 4 \end{bmatrix} V \\ & = \begin{bmatrix} 2 & -2 \\ 1 & -1 \end{bmatrix} V = \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} v_1 \\ v_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} v_1 - v_2 \\ 0 \end{bmatrix} = 0 \\ & \Rightarrow v_1 - v_2 = 0 , or \ v_1 = v_2, \text{ where } v_2 \text{ is a freedom variable } \\ & let \ V_{base} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} \\ \therefore & \text{All Eigenvectors for } \lambda = 3 \text{ are } \\ & \bf{ \{ V | V=k V_{base}, k \in K, k \neq 0 , V_{base} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix} \} } \end{array}\)

\(\large \bf{R^{2}} \text{ 的 } \bf{Fundamental\ Transformation }\)

$\large \ \bf{Scale(伸缩)} 及 \bf{Rotation(旋转)} $

例如在 \(\large \text{Linear Space } \bf{R^2}(2D空间)\)上, 任意一个\(\large \text{ Matrix Transformation }\)(矩阵线性变换)`都可分解为一组两种 \(\large \text{Fundamental Transformation }\)(基本线性变换):

  • \(\large \bf{\text{向量 }} \Leftrightarrow \bf{\text{ 坐标 : } } let \ V = \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} r \ cos \alpha \\ r \ sin \alpha \end{bmatrix}\)

  • \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\)

    \(\large A_{rotate} = \begin{bmatrix} cos \theta & -sin \theta \\ sin \theta & cos \theta \end{bmatrix}\),

    \(\large \begin{array}{lll} \\ \because & cos (\alpha + \theta) =& cos \alpha \ cos \theta - \ sin \alpha \ sin \theta \\ & sin(\alpha + \theta) =& sin \alpha \ cos \theta + \ cos \alpha \ sin \theta \end{array}\)

    \(\large \begin{array}{lll} \therefore & A_{rotate} V =& \begin{bmatrix} r \ cos (\alpha + \theta) \\ r \ sin(\alpha + \theta) \end{bmatrix} =& \begin{bmatrix} cos \theta & -sin \theta \\ sin \theta & cos \theta \end{bmatrix} \begin{bmatrix} r \ cos \alpha \\ r \ sin \alpha \end{bmatrix} \end{array}\)

  • \(\large \bf{\text{ Scale(伸缩)} }\)

    \(\large A_{scale} = \bf{ \lambda } \begin{bmatrix} cos 0 & -sin 0 \\ sin 0 & cos 0 \end{bmatrix} = \bf{ \lambda I } = \bf{ \lambda } \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\)

Matrix Analysis(矩阵分析学)

合成任意的目标 "Matrix Transformation(矩阵变换)"

目标函数\(\large \bf{ M_{n \times n} }\) 用Mathematical Analysis(数学分析)思想: 合成任意的目标 "Function(函数) 或Transformation(变换)". 以下都在 \(\large \text{Linear Space } \bf{K^n}\)上,

  1. 因为 同LinearSpace(线性空间)的"任意两个非零Vectors通过"Matrix变换"互相转化;

    • 设任意两个非零 \(\large \text{ Vectors } \bf{ V_{a_{n \times 1}} \neq 0 } \text{ 与 } \bf{ V_{b_{n \times 1}} \neq 0 }\),

      then, 存在目标 Matrix Transformation(矩阵变换) \(\large \bf{M_{n \times n}}\) 使得 \(\large \bf{ V_{b_{n \times 1}} = M_{n \times n} V_{ a_{n \times 1} } }\)
    • but, \(\large \text{Fundamental Transformation }\)(基本线性变换) 只有三种:

      \(\large \bf{ \text{Scale(伸缩)} }\), \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\) 和 \(\large \bf{\text{ Scale }} \text{ and } \bf{ \text{ Rotation } }\)
    • 因此, 有必要用 \(\large \text{Fundamental Transformation }\) 合成任意的存在目标 Matrix Transformation(矩阵变换) \(\large \bf{M_{n \times n}}\).

      即,合成任意的\(\large \bf{ \text{Scale(伸缩)} }\), \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\) 和 \(\large \bf{\text{ Rotation(伸缩) } }\) 并且 \(\large \bf{\text{ Rotation(旋转) } }\)
    • 分析函数式“合成”:

      既然,目标 Matrix Transformation(矩阵变换) \(\large \bf{ M_{n \times n} }\) 使得 \(\large \bf{ V_{b_{n \times 1}} = M_{n \times n} V_{a_{n \times 1}} }\)

      设 \(\large \bf{ A, \ shape 为(n \times n) }\) 代表一个 "基本矩阵(函数 或 变换)",

      则, 目标 Matrix Transformation(矩阵变换) \(\large \bf{ M, \ shape 为 (n \times n) }\) 可用 $ \bf{A} $ 的 Operations(运算) 合成(Approximation):

      例如,用“幂函数”(Operation为Multiplication)形式:

      假设,$\large \bf{M} = A^x $, 那e么 \(\large V_{b} = \bf{M} V_{a} = \bf{A^x} V_{a}\)

\(\large 图示 \bf{R^{2}} 的 \bf{Scale(伸缩)} ( \bf{特征值分解} )\)

SciTech-Mathmatics - Matrix Analysis(矩阵分析)-重要结论 + 特征值分解 + Matrix视为 Linear Space的 变换 与 运算 + 任两个Vectors可通过Matrix变换互相转化 + 方阵(满秩)不改变向量维数的更多相关文章

  1. 数学基础系列(六)----特征值分解和奇异值分解(SVD)

    一.介绍 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 ...

  2. /编写一个函数,要求从给定的向量A中删除元素值在x到y之间的所有元素(向量要求各个元素之间不能有间断), 函数原型为int del(int A ,int n , int x , int y),其中n为输入向量的维数,返回值为删除元素后的维数

    /** * @author:(LiberHome) * @date:Created in 2019/2/28 19:39 * @description: * @version:$ */ /* 编写一个 ...

  3. PCA样本数量少于矩阵维数

    %test pcaA=[3,7,1,4,1;5,5,2,1,3;4,2,4,5,3];S=cov(A);T=cov(A');[ds,vs]=eig(S)[dt,vt]=eig(T) 样本数量少于矩阵维 ...

  4. Tensorflow描述张量的维度:阶,形状以及维数

    张量 TensorFlow用张量这种数据结构来表示所有的数据.你可以把一个张量想象成一个n维的数组或列表.一个张量有一个静态类型和动态类型的维数.张量可以在图中的节点之间流通. 阶 在TensorFl ...

  5. 分类问题中的“维数灾难” - robotMax

    分类问题中的“维数灾难” - robotMax 在看机器学习的论文时,经常会看到有作者提到“curse of dimensionality”,中文译为“维数灾难”,这到底是一个什么样的“灾难”?本文将 ...

  6. tensorflow中张量(tensor)的属性——维数(阶)、形状和数据类型

    tensorflow的命名来源于本身的运行原理,tensor(张量)意味着N维数组,flow(流)意味着基于数据流图的计算,所以tensorflow字面理解为张量从流图的一端流动到另一端的计算过程. ...

  7. HOG参数简介及Hog特征维数的计算(转)

    HOG构造函数 CV_WRAP HOGDescriptor() :winSize(64,128), blockSize(16,16), blockStride(8,8),      cellSize( ...

  8. [Bhatia.Matrix Analysis.Solutions to Exercises and Problems]ExI.4.1

    Let $x,y,z$ be linearly independent vectors in $\scrH$. Find a necessary and sufficient condition th ...

  9. [Bhatia.Matrix Analysis.Solutions to Exercises and Problems]Contents

    I find it may cost me so much time in doing such solutions to exercises and problems....I am sorry t ...

  10. LR特征维数特别大实时计算问题

    美团 https://tech.meituan.com/machinelearning-data-feature-process.html 维数灾难 待续...

随机推荐

  1. 【记录】环境|Ubuntu18.04 中搭建 Python 开发和调试环境的完整记录

    文章目录 安装Python并切换 1 安装某个版本 方式一:pyenv安装(强烈推荐) 方式二:apt安装(不推荐) Python3 Python2 查看所有apt装上的版本 2 切换python版本 ...

  2. 为什么重写equals一定也要重写hashCode方法?

    简要回答 这个是针对set和map这类使用hash值的对象来说的 只重写equals方法,不重写hashCode方法: 有这样一个场景有两个Person对象,可是如果没有重写hashCode方法只重写 ...

  3. anaconda 报错之Solving environment: failed

    1问题: 在新电脑上重装了anaconda,发现创建一个新环境都报错"Solving environment: failed",已经添加了清华源,还是报错,查找了很多答案都不能解决 ...

  4. 一个使用 WPF 开发的 Diagram 画板工具(包含流程图FlowChart,思维导图MindEditor)

    前言 今天大姚给大家分享一个使用 WPF 开发的 Diagram 画板工具(包含流程图FlowChart,思维导图MindEditor):AIStudio.Wpf.Diagram. 项目介绍 AISt ...

  5. CAD如何使用 “库” 和 “打开文件菜单栏” 和 “项目管理器”

    这个是一个简单的问题,就是库工具栏丢了怎么办? 点击 默认-块-插入-库中的块,这个菜单栏就会恢复了 打开文件菜单栏,有些同学的菜单栏默认是不存在的,需要特殊功能时可以使用命令行MANUBAR使其显现 ...

  6. Linux 统计活跃线程和线程数

    摘要:使用Linux命令ps -eT动态查看进程中,以指定字符串打头的活跃线程和线程数. 动态查看进程的线程数及活跃线程数 实现方案   在Linux系统中,可以使用以下命令来动态查看进程中名字包含& ...

  7. IDEA配置实体类Serializable快捷键生成serialVersionUID

      创建实体类后,如果需要继承Serializable类并生成随机序列号serialVersionUID,在IDEA中使用Serializable快捷键最为合适,故这里为大家介绍如何配置此快捷键.   ...

  8. JVM垃圾回收机制常见算法

       在探讨Java垃圾回收机制之前,我们首先应该记住一个单词:Stop-the-World.Stop-the-world意味着 JVM由于要执行GC而停止了应用程序的执行,并且这种情形会在任何一种G ...

  9. Hyperledger Fabric2.x基本概念之(一)交易和区块链

    ▲ 点击101链视界,关注不走丢 大家好,我是阿创,这是我的第30篇原创文章. 我比较爱看书,2021年全年我的阅读量大概是20+本书,涵盖法律.哲学.技术.人文. 但是阅读量一上来反而会觉得,单纯的 ...

  10. 题解:AT_arc073_d [ARC073F] Many Moves

    题目链接:link. 题意已经挺简易了,直接上思路吧. 我们设 \(f_{i,j}\) 表示当前在第 \(i\) 个时刻,一个棋子在 \(x_i\) 位置,另一个棋子在 \(j\) 位置的最小代价之和 ...