数值分析总结笔记1——向量范数、矩阵范数

一.向量范数

1.定义:

对于任意向量x,y以及复数α∈C,函数 f(x)=||x|| 满足以下三个条件:

1.非负性
||x|| ≧ 0, ||x||=0 ⇿ x=0 (n*1)

注意符号,可能会导致不满足非负性
例如:|x1|+|2x2|-5|x3|
注意是否所有x分量为0时,整体也为0
例如:|x1|+|2
x2+x3|

2.齐次性
||αx||=|α|·||x||

注意函数中带高次方的情况,是否满足齐次性

3.三角不等式
||x+y|| ≤ ||x||+||y||

称函数||*||为C上的一个向量范数(连续函数)

2.常用向量范数

(写的时候把x1,x2…等等称作元素了,可能不太好。。。)

名称 等式 提示
p-范数 在这里插入图片描述 绝对值-p次方-求和-开方
1-范数 在这里插入图片描述 所有元素的模的和
2-范数 在这里插入图片描述 所有元素模平方和-再开方
∞-范数 在这里插入图片描述 所有元素的模的 最大值

3.向量加权范数

对给定的任意向量范数||*||,定义出加权的范数:
在这里插入图片描述

  • W:对角矩阵
    其对角元素,是其每个分量的权系数

求加权范数时,先将矩阵W乘进去,再带公式

4.向量范数的等价性定理

(图中不清楚的地方:下标为α,β,c2>0)
数值分析总结笔记1——向量范数、矩阵范数_第1张图片

  • P-范数等价性特例:(主要是1/2/∞范数)
    数值分析总结笔记1——向量范数、矩阵范数_第2张图片

二.矩阵范数

1.定义

对于任意矩阵A,B以及复数α∈C,函数 f(A)=||A|| 满足以下三个条件:

1.非负性
||A||>=0, ||A||=0 ⇿ A=0
2.齐次性
||αA||=|α|·||A||
3.三角不等式
||A+B|| <= ||A||+||B||

称函数||*||为C(C:m×n)上一个矩阵范数

  • 向量范数、矩阵范数定义对比:(由向量转为矩阵,需要注意从n×1到m×n)

(由于编辑器中的 | 会被认作表格边界,所以用 / 代替了 |

非负性 齐次性 三角不等式
向量范数:f(x)=//x//,x和y为向量 //x//≧0,//x//=0 ⇿ x=0 (n*1) //αx//=/α/·//x// //x+y// ≤//x//+//y//
矩阵范数:f(A)=//A//,A和B为矩阵 //A//≧0, //A//=0 ⇿ A=0 //αA//=/α/·//A// //A+B// ≤//A//+//B//

2.推广得到的常用矩阵范数

为了便于对照和理解,把上面的向量范数和矩阵范数的表放在一起,更好作为对照
其中一些表示需要 矩阵范数相容性 的知识,在后面会写到

类别 名称 等式 提示
向量范数: p-范数 在这里插入图片描述 绝对值-p次方-求和-开方
1-范数 在这里插入图片描述 所有元素的模的和
2-范数 在这里插入图片描述 所有元素模平方和-再开方
∞-范数 在这里插入图片描述 所有元素的模的 最大值
矩阵范数: m1范数 在这里插入图片描述 所有元素模的和
F范数 在这里插入图片描述 所有元素模 的平方和-开方
m∞范数 在这里插入图片描述 所有元素模 的最大值

3.矩阵范数相容性

相比于向量范数,矩阵范数的相容性是向量范数所没有的,原因在于矩阵的乘法
相容性:
对于任意矩阵A∈C(m×l),B∈C(l×n),满足:
在这里插入图片描述
通过证明,矩阵范数的M1范数和F范数都满足相容性,但举例可知M∞范数不具有相容性;
因此,对于M∞范数有特别构造:
在这里插入图片描述
以上构成A的一种相容范数

  • 特例:**单位矩阵**的范数
    (依然用 / 代替 | )
内容 结果
//A// m1 n
//A// F n^(1/2) (即:n的开方)
//A// m∞ n

4.矩阵范数的等价性定理

依然将矩阵范数和向量范数的等价性定理放在一起进行比较:
依然用 / 代替 | ,第二行中β,阿尔法为下标)

向量范数等价性定理 矩阵范数等价性定理
设//·//β 和//·//α 为C(C:n)上的任意两种向量范数 设//·//β 和//·//α 为C(C:m×n)上的任意两种矩阵范数
存在两个无关正常数c1>0,c2>0 存在两个无关正常数c1>0,c2>0
使得:在这里插入图片描述 使得:在这里插入图片描述
并称 //·//β 和 //·//α 为C上的等价范数 并称 //·//β 和 //·//α 为C上的等价范数

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