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1、第四节 矩阵的奇异值分解 我们知道,若A是Hermite矩阵,即AH=A,则存在酉矩阵U,使UHAU=U-1AU=diag(l1,l2,ln)其中li(i=1,2,n)为A的特征值。对于一般的矩阵,有与之相仿的结论。 定义1 设ACrmn,记Hermite矩阵AHA的n个特征值(因为Hermite矩阵的特征值都是非负实数)为l1l2lrlr+1=ln=0,则称(i=1,2,,n)为A的奇异值。易知,A的奇异值的个数等于A的列数(因为AHA Crmn), A的非零奇异值的个数等于A的秩。因为由本节开始知 例知,对于矩阵 ,所以A的奇异值为,又如,Hermite矩阵的奇异值为其特征值的绝对值,即s
2、i=|li|。(因为AHA=A2,所以AHA的特征值是A的特征值的平方。) 定理 设ACrmn(r0)的非零奇异值为s1,s2,sr,记=diag(s1,s2,sr),则存在酉矩阵UCmm、VCnn,使得 (2) 证明 由AHA是Hermite矩阵知,存在酉矩阵VCnn使得这里li0(i=1,r)和li=0(i=r+1,n)是AHA的特征值,令V=(V1|V2),V1Cnr,V2Cn(n-r),上式可写为即 比较两边主对角块,得,或 ,AV2=O若记 U1=AV1-1,则上式说明 U1Cmr的r个列向量u1,u2,ur是两两酉交的单位向量,把它们扩充为Cm的一个标准正交基,并记添加的向量为ur
3、+1,um,令U2=(ur+1,um),则有U2HU1=O。(因为酉交)。令U=(U1|U2),可以得到也就是把上式写成 (3)称(3)式为A的奇异值分解。 注1: 从得即 所以是的非零特征值对应的酉交单位特征向量构成的矩阵;从, 所以说明是的零特征值对应的酉交单位特征向量构成的矩阵。注2:求奇异值分解步骤。求的特征值,求A的奇异值,写出; 求, 写出;求U1=AV1-1; 扩充U1为酉矩阵U=( U1| U2),写出例 求矩阵A的奇异值分解,其中 。 解 因ATA的特征值为l1=4,l2=l3=0,故A的奇异值为s1=2,s2=s3=0 ,所以 =2 。 AHA的对应于l1=4的单位特征向量为对应于l2=l3=0的两个正交的单位特征向量为 于是所以可取,使U=(U1|U2)为正交矩阵,便得A的奇异值分解4