奇異值分解(SVD)和最小二乘解在解齊次線性超定方程中的應用


  奇異值分解,是在A不為方陣時的對特征值分解的一種拓展。奇異值和特征值的重要意義相似,都是為了提取出矩陣的主要特征。
  對於齊次線性方程 A*X =0;當A的秩大於列數時,就需要求解最小二乘解,在||X||=1的約束下,其最小二乘解為矩陣A'A最小特征值所對應的特征向量。
  假設x為A'A的特征向量的情況下,為什么是最小的特征值對應的x能夠是目標函數最小?具體證明如下:
  齊次線性方程組的最小二乘問題可以寫成如下:min ||Ax|| 
    s.t:    ||x||=1
    目標函數:||Ax|| = x'A'Ax = x'λx=λ||x||=λ,其中λ是A'A的特征值。
    於是可知,得到了A'A的最小特征值,就得到了最優值,而其最小特征值對應的特征向量就是最優解.
  而對M進行SVD分解(*表示共軛轉置):

   M^{*} M = V \Sigma^{*} U^{*}\, U \Sigma V^{*} =V (\Sigma^{*} \Sigma) V^{*}\,
   M M^{*} = U \Sigma V^{*} \, V \Sigma^{*} U^{*} =U (\Sigma \Sigma^{*}) U^{*}\,
  可見M*M的特征向量就是V的列向量。


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