设A属于Rmxn,试证明如下结论: ||A||2=max{|yTAx|:x属于Rn,y属于Rm,||x||2=||y||2=1};
时间: 2024-06-16 13:05:42 浏览: 143
要证明该结论,我们可以使用矩阵的奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)。
设 A 属于 R^(m x n) 是一个矩阵,其中 m 表示行数,n 表示列数。
首先,我们知道矩阵 A 的 2-范数(Frobenius 范数)定义为矩阵 A 的所有元素的平方和的平方根,即 ||A||2 = sqrt(ΣΣ|a_ij|^2)。
现在,我们来证明结论:||A||2 = max{|y^T * A * x| : x 属于 R^n, y 属于 R^m, ||x||2 = ||y||2 = 1}。
证明过程如下:
1. 首先,我们可以将矩阵 A 进行奇异值分解(SVD),得到 A = U * Σ * V^T,其中 U 是一个 m x m 的正交矩阵,Σ 是一个 m x n 的对角矩阵,V 是一个 n x n 的正交矩阵。
2. 根据奇异值分解的性质,我们可以将矩阵 A 的 2-范数表示为 ||A||2 = σ_1,其中 σ_1 是矩阵 A 的最大奇异值。
3. 现在,我们来计算 |y^T * A * x|,其中 x 属于 R^n,y 属于 R^m,且 ||x||2 = ||y||2 = 1。
将 A = U * Σ * V^T 代入,得到 |y^T * A * x| = |y^T * U * Σ * V^T * x|。
由于 U 和 V 都是正交矩阵,所以它们的转置矩阵等于它们的逆矩阵,即 U^T = U^(-1),V^T = V^(-1)。
将 U^T 和 V^T 替换为 U^(-1) 和 V^(-1),得到 |y^T * A * x| = |(U^(-1) * y)^T * Σ * (V^(-1) * x)|。
令 y' = U^(-1) * y,x' = V^(-1) * x,代入上式,得到 |y^T * A * x| = |y'^T * Σ * x'|。
注意到矩阵 Σ 是一个对角矩阵,对角线上的元素为奇异值 σ_i。
所以 |y^T * A * x| = |y'^T * Σ * x'| = |Σ_ij * y'_i * x'_j|,其中 i 和 j 分别表示 Σ 的行和列。
由于 ||x||2 = ||y||2 = 1,所以 ||x'||2 = ||y'||2 = 1。
因此,我们可以将上式改写为 |y^T * A * x| = |Σ_ij * y'_i * x'_j| = Σ_ij * σ_i * y'_i * x'_j。
注意到 y'_i 和 x'_j 都是标准单位向量,即它们的模长都为 1。
所以 |y^T * A * x| = Σ_ij * σ_i * y'_i * x'_j ≤ Σ_ij * σ_i = ||A||2。
这是因为矩阵 A 的奇异值是非负的,所以乘以标准单位向量后不会增大其值。
4. 综上所述,我们得到 |y^T * A * x| ≤ ||A||2,对于任意的 x 属于 R^n,y 属于 R^m,且 ||x||2 = ||y||2 = 1。
同时,我们也知道存在某个 x' 和 y',使得 |y'^T * A * x'| = ||A||2。
因此,我们可以得出结论:||A||2 = max{|y^T * A * x| : x 属于 R^n, y 属于 R^m, ||x||2 = ||y||2 = 1}。
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