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2025-2-24日习题课

约 1596 字大约 5 分钟

2025-02-28

problem 1

设 A,BA,B 为实对称矩阵,BB 正定,则 AA 正定 ⇔AB\Leftrightarrow AB 的特征值是正数。

proof for problem 1

1. 必要性(⇒\Rightarrow):若 AA 正定,则 ABAB 的特征值全为正数

步骤 1.1:构造相似对称矩阵 由于 BB 正定,存在可逆矩阵 B1/2B^{1/2} 满足 B=(B1/2)2B = (B^{1/2})^2。考虑矩阵:

C=B1/2AB1/2C = B^{1/2}AB^{1/2}

CC 是实对称矩阵,因为:

C⊤=(B1/2AB1/2)⊤=B1/2A⊤(B1/2)⊤=B1/2AB1/2=C.C^\top = (B^{1/2}AB^{1/2})^\top = B^{1/2}A^\top (B^{1/2})^\top = B^{1/2}AB^{1/2} = C.

步骤 1.2:特征值关系ABAB 与 CC 相似:

AB=B−1/2(B1/2AB1/2)B1/2=B−1/2CB1/2,AB = B^{-1/2} (B^{1/2}AB^{1/2}) B^{1/2} = B^{-1/2} C B^{1/2},

因此 ABAB 与 CC 有相同的特征值。

步骤 1.3:正定性传递 若 AA 正定,则 C=B1/2AB1/2C = B^{1/2}AB^{1/2} 正定(正定矩阵的合同变换保持正定性)。故 CC 的特征值全为正数,从而 ABAB 的特征值也全为正数。


2. 充分性(⇐\Leftarrow):若 ABAB 的特征值全为正数,则 AA 正定

步骤 2.1:对称矩阵 CC 的正定性 构造 C=B1/2AB1/2C = B^{1/2}AB^{1/2},由 ABAB 与 CC 相似,CC 的特征值全为正数。由于 CC 实对称且特征值全正,CC 是正定矩阵。

步骤 2.2:合同变换恢复 AA 的正定性 将 AA 表示为:

A=B−1/2CB−1/2.A = B^{-1/2} C B^{-1/2}.

对任意非零向量 x∈Rnx \in \mathbb{R}^n,令 y=B−1/2x≠0y = B^{-1/2}x \neq 0,则:

x⊤Ax=y⊤Cy>0,x^\top A x = y^\top C y > 0,

因 CC 正定,故 AA 正定。


关键结论:

  • ABAB 与对称矩阵 B1/2AB1/2B^{1/2}AB^{1/2} 相似,特征值相同。
  • 正定矩阵的合同变换保持正定性。
  • ABAB 特征值全正 ⇔\Leftrightarrow B1/2AB1/2B^{1/2}AB^{1/2} 正定 ⇔\Leftrightarrow AA 正定。

最终结论: 命题成立,即 AA 正定当且仅当 ABAB 的特征值全为正数。

problem 2

设 AA 半正定,k∈Z+,k \in \mathbb{Z}^{+}, 则 ∃!\exists ! 半正定矩阵 B,B,s.t.A=Bk.A=B^{k}.

proof for problem 2

1. 存在性证明

步骤 1.1:谱分解 由于 AA 是半正定矩阵,存在正交矩阵 QQ 和对角矩阵 Λ\Lambda,使得:

A=QΛQ⊤,A = Q \Lambda Q^\top,

其中 Λ=diag⁡(λ1,λ2,…,λn)\Lambda = \operatorname{diag}(\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n),且 λi≥0\lambda_i \geq 0。

步骤 1.2:构造矩阵 BB 定义对角矩阵 Λ1/k=diag⁡(λ11/k,λ21/k,…,λn1/k)\Lambda^{1/k} = \operatorname{diag}(\lambda_1^{1/k}, \lambda_2^{1/k}, \dots, \lambda_n^{1/k}),并令:

B=QΛ1/kQ⊤.B = Q \Lambda^{1/k} Q^\top.

由于 λi≥0\lambda_i \geq 0 且 kk 为正整数,λi1/k\lambda_i^{1/k} 是实数非负的,因此 BB 是半正定矩阵。

步骤 1.3:验证 Bk=AB^k = A 计算 BkB^k:

Bk=(QΛ1/kQ⊤)k=Q(Λ1/k)kQ⊤=QΛQ⊤=A.B^k = \left(Q \Lambda^{1/k} Q^\top\right)^k = Q \left(\Lambda^{1/k}\right)^k Q^\top = Q \Lambda Q^\top = A.

因此,BB 满足 A=BkA = B^k。


2. 唯一性证明

步骤 2.1:假设存在另一个半正定矩阵 CC 满足 Ck=AC^k = A 设 CC 为半正定矩阵,且 Ck=AC^k = A。对 CC 进行谱分解:

C=PΣP⊤,C = P \Sigma P^\top,

其中 PP 为正交矩阵,Σ=diag⁡(σ1,σ2,…,σn)\Sigma = \operatorname{diag}(\sigma_1, \sigma_2, \dots, \sigma_n) 且 σi≥0\sigma_i \geq 0。

步骤 2.2:分析 CkC^k 的谱分解 由 Ck=PΣkP⊤C^k = P \Sigma^k P^\top,与 A=QΛQ⊤A = Q \Lambda Q^\top 对比,得:

PΣkP⊤=QΛQ⊤.P \Sigma^k P^\top = Q \Lambda Q^\top.

由于谱分解唯一(忽略特征值排列顺序),可推出:

  • PP 与 QQ 的列向量可通过排列对应(即存在置换矩阵 RR 使得 P=QRP = QR)。
  • Σk\Sigma^k 与 Λ\Lambda 的对角元通过相同排列对应,即 σik=λj\sigma_i^k = \lambda_j,其中 jj 为置换后的索引。

步骤 2.3:唯一性结论 由于 σi≥0\sigma_i \geq 0 且 σik=λj\sigma_i^k = \lambda_j,必有 σi=λj1/k\sigma_i = \lambda_j^{1/k}。因此:

Σ=Λ1/k,\Sigma = \Lambda^{1/k},

且 P=QP = Q(在特征值按固定顺序排列时)。故 C=QΛ1/kQ⊤=BC = Q \Lambda^{1/k} Q^\top = B。


关键结论:

  • 半正定矩阵的谱分解唯一性保证了 BB 的构造唯一。
  • 非负实数的 kk 次根唯一性确保了 Λ1/k\Lambda^{1/k} 的唯一性。

最终结论: 存在唯一的半正定矩阵 BB,使得 A=BkA = B^k。

problem 3

设 A∈Mn×n(R),A \in M_{n \times n}(\mathbb{R}), 则 ∃U∈O(m),V∈O(n),S=(diag⁡{λ1,…,λv}000),{} \exists U \in O(m),V \in O(n),S=\begin{pmatrix}\operatorname{diag}\{\lambda_{1},\dots,\lambda_{v}\} & 0 \\ 0 & 0\end{pmatrix}, {} s.t A=USV.A=USV.

proof for problem 3

1. 右奇异向量的构造(矩阵 VV)

步骤 1.1:分析 A⊤AA^\top A 的正交对角化 矩阵 A⊤A∈Mn×n(R)A^\top A \in M_{n \times n}(\mathbb{R}) 是实对称半正定矩阵,因此可正交对角化为:

A⊤A=VΛV⊤,A^\top A = V \Lambda V^\top,

其中:

  • V=[v1∣v2∣⋯∣vn]∈O(n)V = [v_1 \mid v_2 \mid \dots \mid v_n] \in O(n),viv_i 为 A⊤AA^\top A 的单位正交特征向量。
  • Λ=diag⁡(λ1,λ2,…,λn)\Lambda = \operatorname{diag}(\lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n),λi≥0\lambda_i \geq 0 为特征值,按降序排列。

步骤 1.2:定义奇异值 令 σi=λi\sigma_i = \sqrt{\lambda_i},则非零奇异值的个数 r=rank⁡(A)r = \operatorname{rank}(A),且:

σ1≥σ2≥⋯≥σr>0,σr+1=⋯=σn=0.\sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \dots \geq \sigma_r > 0, \quad \sigma_{r+1} = \dots = \sigma_n = 0.


2. 左奇异向量的构造(矩阵 UU)

步骤 2.1:定义 UU 的非零部分 对 i=1,2,…,ri = 1, 2, \dots, r,定义向量:

ui=1σiAvi∈Rm,u_i = \frac{1}{\sigma_i} A v_i \in \mathbb{R}^m,

则 {u1,u2,…,ur}\{u_1, u_2, \dots, u_r\} 是单位正交向量组:

ui⊤uj=1σiσjvi⊤A⊤Avj=σj2σiσjvi⊤vj=δij.u_i^\top u_j = \frac{1}{\sigma_i \sigma_j} v_i^\top A^\top A v_j = \frac{\sigma_j^2}{\sigma_i \sigma_j} v_i^\top v_j = \delta_{ij}.

步骤 2.2:扩展为完备正交基 若 m>rm > r,选取 m−rm - r 个单位正交向量 {ur+1,…,um}\{u_{r+1}, \dots, u_m\},使得 U=[u1∣⋯∣um]∈O(m)U = [u_1 \mid \dots \mid u_m] \in O(m)。


3. 奇异值矩阵 SS 的构造

定义矩阵 S∈Mm×n(R)S \in M_{m \times n}(\mathbb{R}) 为:

S=(diag⁡{σ1,…,σr}0r×(n−r)0(m−r)×r0(m−r)×(n−r)),S = \begin{pmatrix} \operatorname{diag}\{\sigma_1, \dots, \sigma_r\} & 0_{r \times (n - r)} \\ 0_{(m - r) \times r} & 0_{(m - r) \times (n - r)} \end{pmatrix},

其中左上角的 r×rr \times r 块为奇异值,其余部分为零。


4. 验证分解 A=USV⊤A = U S V^\top

步骤 4.1:对 VV 的列向量作用 AA

  • 当 j≤rj \leq r 时,Avj=σjujA v_j = \sigma_j u_j(由 uju_j 的定义)。
  • 当 j>rj > r 时,σj=0\sigma_j = 0,且 Avj=0A v_j = 0(因 vjv_j 属于 A⊤AA^\top A 的零空间)。

步骤 4.2:展开矩阵乘法 将 USV⊤U S V^\top 按列展开:

USV⊤=∑i=1rσiuivi⊤.U S V^\top = \sum_{i=1}^r \sigma_i u_i v_i^\top.

对任意 vjv_j(j≤rj \leq r):

USV⊤vj=σjuj=Avj.U S V^\top v_j = \sigma_j u_j = A v_j.

对 vjv_j(j>rj > r):

USV⊤vj=0=Avj.U S V^\top v_j = 0 = A v_j.

因此,USV⊤U S V^\top 与 AA 在所有基向量上作用相同,故 A=USV⊤A = U S V^\top。


关键结论:

  • 对称性保障:A⊤AA^\top A 的正交对角化提供了右奇异向量 VV 和奇异值 σi\sigma_i。
  • 正交基扩展:左奇异向量 UU 通过 Avi/σiA v_i / \sigma_i 及正交补构造,确保 UU 的正交性。
  • 唯一性与结构:奇异值矩阵 SS 的结构由秩 rr 唯一确定,非零部分对应正奇异值。

最终结论: 任意实矩阵 AA 均可分解为 A=USV⊤A = U S V^\top,其中 U∈O(m)U \in O(m),V∈O(n)V \in O(n),SS 为奇异值矩阵。

贡献者: Ming Wei