【矩阵论】6.范数理论——基本概念——矩阵范数生成向量范数&谱范不等式

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6.1.3 矩阵范数产生向量范数

C n × n C^{n\times n} Cn×n 上任一矩阵范数 ∥ ∙ ∥ \Vert \bullet\Vert 都产生一个向量范数 φ ( X ) = ∥ X ∥ V \varphi(X)=\Vert X\Vert_V φ(X)=XV

  • 矩阵范数与向量范数的相容性: φ ( A x ) ≤ ∥ A ∥ φ ( x ) \varphi(Ax)\le \Vert A\Vert\varphi(x) φ(Ax)Aφ(x) ,即 ∥ A X ∥ V ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ X ∥ V \Vert AX\Vert_V\le \Vert A\Vert\cdot\Vert X\Vert_V AXVAXV , ∀ A ∈ C n , n , ∀ X ∈ C n \forall A\in C^{n,n},\forall X\in C^n ACn,n,XCn

证明:
设向量范数 φ ( X ) = Δ ∥ X α T ∥ , ∀ X ∈ C n , α = ( a 1 ⋮ a n ) ≠ 0 ⃗ 为权向量 , 表示对每个列向量放缩形成矩阵 则 φ ( X ) = Δ ∥ X α T ∥ = ∥ a 1 X , a 2 X , ⋯   , a n X ∥ ,右边为一个矩阵范数 显然①正性: φ ( X ) = ∥ X α T ∥ ≥ 0 ②齐性: φ ( k X ) = ∥ ( k X ) α T ∥ = ∥ a 1 k X , a 2 k X , ⋯   , a n k X ∥ = ∣ k ∣ ∥ a 1 X , a 2 X , ⋯   , a n X n ∥ = ∣ k ∣ φ ( X ) ③三角性:令 X , Y ∈ C n , ∵ φ ( X + Y ) = ∥ ( X + Y ) α T ∥ = ∥ X α T + Y α T ∥ ≤ ∥ X α T ∥ + ∥ Y α T ∥ = φ ( X ) + φ ( Y ) ④相容性: φ ( A X ) = ∥ ( A X ) α T ∥ = ∥ A ( X α T ) ∥ ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ X α T ∥ = ∥ A ∥ ⋅ φ ( X ) 可证, ∥ A X ∥ V ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ X ∥ V , 即矩阵范数与向量范数有相容性 \begin{aligned} &设向量范数 \varphi(X)\overset{\Delta}{=}\Vert X\alpha^T\Vert,\forall X\in C^n,\alpha=\left( \begin{matrix} a_1\\\vdots\\a_n \end{matrix} \right)\neq \vec{0}为权向量,表示对每个列向量放缩形成矩阵\\ &则\varphi(X)\overset{\Delta}{=}\Vert X\alpha^T\Vert=\Vert a_1X,a_2X,\cdots,a_nX\Vert,右边为一个矩阵范数\\ &显然 ①正性:\varphi(X)=\Vert X\alpha^T \Vert\ge 0\\ & ②齐性:\varphi(kX)=\Vert (kX)\alpha^T\Vert=\Vert a_1kX,a_2kX,\cdots,a_nkX\Vert=\vert k\vert\Vert a_1X,a_2X,\cdots,a_nX_n\Vert=\vert k\vert\varphi(X)\\ &③三角性:令X,Y\in C^n,\\ &\quad \because \varphi(X+Y)=\Vert (X+Y)\alpha^T\Vert =\Vert X\alpha^T+Y\alpha^T \Vert\le \Vert X\alpha^T\Vert+\Vert Y\alpha^T\Vert =\varphi(X)+\varphi(Y)\\ &④相容性:\varphi(AX)=\Vert (AX)\alpha^T\Vert=\Vert A(X\alpha^T)\Vert\le \Vert A\Vert\cdot\Vert X\alpha^T\Vert=\Vert A\Vert\cdot\varphi(X)\\ &可证,\Vert AX\Vert_V\le \Vert A\Vert\cdot\Vert X\Vert_V,即矩阵范数与向量范数有相容性 \end{aligned} 设向量范数φ(X)=ΔXαT,XCn,α= a1an =0 为权向量,表示对每个列向量放缩形成矩阵φ(X)=ΔXαT=a1X,a2X,,anX,右边为一个矩阵范数显然正性:φ(X)=XαT0齐性:φ(kX)=(kX)αT=a1kX,a2kX,,ankX=k∣∥a1X,a2X,,anXn=kφ(X)三角性:令XYCn,φ(X+Y)=(X+Y)αT=XαT+YαTXαT+YαT=φ(X)+φ(Y)相容性:φ(AX)=(AX)αT=A(XαT)AXαT=Aφ(X)可证,AXVAXV,即矩阵范数与向量范数有相容性
eg

  • F范数与向量2-范数相容: ∥ A x ∥ 2 ≤ ∥ A ∥ F ⋅ ∥ x ∥ 2 \Vert Ax\Vert_2\le \Vert A\Vert_F\cdot\Vert x\Vert_2 Ax2AFx2
  • 总和范数与1-范数, ∞ \infty -范数相容: ∥ A x ∥ 1 ≤ ∥ A ∥ M ⋅ ∥ x ∥ 1 \Vert Ax\Vert_1\le \Vert A\Vert_M\cdot \Vert x \Vert_1 Ax1AMx1 ∥ A x ∥ ∞ ≤ ∥ A ∥ M ⋅ ∥ x ∥ ∞ \Vert Ax\Vert_\infty\le \Vert A\Vert_M\cdot \Vert x\Vert_\infty AxAMx
  • G范数与1-范数, ∞ \infty -范数相容,2-范数相容: ∥ A x ∥ 1 ≤ ∥ A ∥ G ⋅ ∥ x ∥ 1 \Vert Ax\Vert_1\le \Vert A\Vert_G\cdot \Vert x \Vert_1 Ax1AGx1 , ∥ A x ∥ 2 ≤ ∥ A ∥ G ⋅ ∥ x ∥ 2 \Vert Ax\Vert_2\le \Vert A\Vert_G\cdot \Vert x \Vert_2 Ax2AGx2 , ∥ A x ∥ ∞ ≤ ∥ A ∥ G ⋅ ∥ x ∥ ∞ \Vert Ax\Vert_\infty\le \Vert A\Vert_G\cdot \Vert x \Vert_\infty AxAGx

a. 特别生成公式

e 1 = ( 1 0 ⋮ 0 ) e_1=\left(\begin{matrix}1\\0\\\vdots\\0\end{matrix}\right) e1= 100 ,取 e 1 T e^T_1 e1T 作为向量 X X X 的放缩量,将向量范数与矩阵范数建立联系

φ ( X ) = Δ ∥ X e 1 T ∥ V = ∥ X ( 1 , 0 , ⋯   , 0 ) ∥ = ∥ ( x 1 0 ⋯ 0 x 2 0 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ x n 0 ⋯ 0 ) ∥ ∗ \varphi(X)\overset{\Delta}{=}\Vert Xe_1^T\Vert_V=\Vert X(1,0,\cdots,0)\Vert=\left\Vert \left(\begin{matrix} x_1&0&\cdots&0\\x_2&0&\cdots&0\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\x_n&0&\cdots&0\end{matrix}\right)\right\Vert_* φ(X)=ΔXe1TV=X(1,0,,0)= x1x2xn000000 , X = ( x 1 ⋮ x n ) ∈ C n X =\left(\begin{matrix}x_1\\\vdots\\x_n\end{matrix}\right)\in C^n X= x1xn Cn ,且 ∥ X ∥ V \Vert X\Vert_V XV 满足相容性 ∥ A X ∥ V ≤ ∥ A ∥ ∗ ⋅ ∥ X ∥ V \Vert AX\Vert_V\le \Vert A\Vert_*\cdot\Vert X\Vert_{V} AXVAXV A ∈ C n , n A\in C^{n,n} ACn,n X ∈ C n X\in C^n XCn

eg

取 F 范数 ∥ A ∥ = ∥ A ∥ F \Vert A\Vert=\Vert A\Vert_F A=AF ,验证F范数与向量2-范数的相容性
由特别生成公式, ∥ X ∥ V = Δ ∥ X e 1 T ∥ = ∥ ( x 1 0 ⋯ 0 x 2 0 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ x n 0 ⋯ 0 ) ∥ F = ∣ x 1 ∣ 2 + ∣ x 2 ∣ 2 + ⋯ + ∣ x n ∣ 2 = ∥ X ∥ 2 , 即有 F 范数 ∥ A ∥ F 可产生向量范数 ∥ X ∥ 2 对相容性的验证: ∀ A ∈ C n , n , ∥ A X ∥ 2 = ∥ ( A X ) e 1 T ∥ = ∥ A ( X e 1 T ) ∥ ≤ ∥ A ∥ F ⋅ ∥ X ∥ 2 \begin{aligned} &由特别生成公式,\Vert X\Vert_V\overset{\Delta}{=}\Vert Xe_1^T\Vert=\left\Vert \left(\begin{matrix} x_1&0&\cdots&0\\x_2&0&\cdots&0\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\x_n&0&\cdots&0\end{matrix}\right)\right\Vert_F = \sqrt{\vert x_1\vert^2+\vert x_2\vert^2+\cdots+\vert x_n\vert^2}\\ &=\Vert X\Vert_2,即有F范数\Vert A\Vert_F可产生向量范数 \Vert X\Vert_2\\ &对相容性的验证:\\ &\forall A\in C^{n,n},\Vert AX\Vert_2=\Vert (AX)e_1^T\Vert=\Vert A(Xe_1^T)\Vert\le \Vert A\Vert_F\cdot \Vert X\Vert_2 \end{aligned} 由特别生成公式,XV=ΔXe1T= x1x2xn000000 F=x12+x22++xn2 =X2,即有F范数AF可产生向量范数X2对相容性的验证:ACn,n,AX2=(AX)e1T=A(Xe1T)AFX2


取总和范数 ∥ A ∥ M = ∑ ∣ a i j ∣ \Vert A\Vert_M=\sum \vert a_{ij}\vert AM=aij ,写出矩阵范数产生的向量范数,并写出相容性
由特别生成公式 , ∥ X ∥ V = Δ ∥ X e 1 T ∥ = ∥ ( x 1 0 ⋯ 0 x 2 0 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ x n 0 ⋯ 0 ) ∥ M = ∑ ∣ a i j ∣ = ∥ X ∥ 1 即有相容性: ∥ A X ∥ 1 = ∥ A X e 1 T ∥ ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ X ∥ 1 = ∥ A ∥ M ⋅ ∥ X ∥ 1 至于 M 范数与 ∞ − 范数相容,则需要其他的生成公式证明 \begin{aligned} &由特别生成公式,\Vert X\Vert_V\overset{\Delta}{=}\Vert Xe_1^T\Vert=\left\Vert \left(\begin{matrix} x_1&0&\cdots&0\\x_2&0&\cdots&0\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\x_n&0&\cdots&0\end{matrix}\right)\right\Vert_M=\sum \vert a_{ij}\vert =\Vert X\Vert_1\\ &即有相容性:\Vert AX\Vert_1=\Vert AXe_1^T\Vert\le \Vert A\Vert\cdot\Vert X\Vert_1=\Vert A\Vert_M\cdot \Vert X\Vert_1\\ &至于M范数与\infty-范数相容,则需要其他的生成公式证明 \end{aligned} 由特别生成公式,XV=ΔXe1T= x1x2xn000000 M=aij=X1即有相容性:AX1=AXe1TAX1=AMX1至于M范数与范数相容,则需要其他的生成公式证明


取行范数 ∥ A ∥ ∞ \Vert A\Vert_\infty A ,写出矩阵范数产生的向量范数,并写出相容性
由特别生成公式, ∥ X ∥ V = Δ ∥ X e 1 T ∥ = ∥ ( x 1 0 ⋯ 0 x 2 0 ⋯ 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ x n 0 ⋯ 0 ) ∥ ∞ = max ⁡ 1 ≤ i ≤ n { ∣ x i ∣ } = ∥ X ∥ ∞ ∥ A X ∥ ∞ ≤ ∥ A ∥ ∞ ∥ X ∥ ∞ \begin{aligned} &由特别生成公式,\Vert X\Vert_V\overset{\Delta}{=}\Vert Xe_1^T\Vert=\left\Vert \left(\begin{matrix} x_1&0&\cdots&0\\x_2&0&\cdots&0\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\x_n&0&\cdots&0\end{matrix}\right)\right\Vert_\infty=\max_{1\le i\le n}\{\vert x_i\vert\}=\Vert X\Vert_{\infty}\\ &\Vert AX\Vert_\infty\le\Vert A\Vert_\infty\Vert X\Vert_\infty \end{aligned} 由特别生成公式,XV=ΔXe1T= x1x2xn000000 =1inmax{xi}=XAXAX


取列范数 ∥ A ∥ 1 \Vert A\Vert_1 A1 ,由特别生成公式 ∥ X ∥ V = Δ ∥ X ∥ 1 \Vert X\Vert_V\overset{\Delta}{=}\Vert X \Vert_1 XV=ΔX1 , ∥ A X ∥ 1 ≤ ∥ A ∥ 1 ⋅ ∥ X ∥ 1 \Vert AX\Vert_1 \le \Vert A\Vert_1 \cdot \Vert X \Vert_1 AX1A1X1

6.1.4 谱范不等式

a. 谱半径

ρ ( A ) = m a x { ∣ λ 1 ∣ , ∣ λ 2 ∣ , ⋯   , ∣ λ n ∣ } 为方阵 A = A n × n 的谱半径, 其中,方阵 A 的特征根为 λ ( A ) = { λ 1 , ⋯   , λ n } \begin{aligned} &\rho(A)=max\{\vert \lambda_1\vert,\vert \lambda_2\vert,\cdots,\vert \lambda_n\vert\}为方阵 A=A_{n\times n} 的谱半径,\\ &其中,方阵A的特征根为\lambda(A)=\{\lambda_1,\cdots,\lambda_n\} \end{aligned} ρ(A)=max{λ1,λ2,,λn}为方阵A=An×n的谱半径,其中,方阵A的特征根为λ(A)={λ1,,λn}

eg

在这里插入图片描述

∵ λ 1 = 1 2 , λ 2 = 1 3 , ∴ ρ ( A ) = λ 1 = 1 2 \begin{aligned} &\because \lambda_1=\frac{1}{2},\lambda_2=\frac{1}{3},\therefore \rho(A)=\lambda_1=\frac{1}{2} \end{aligned} λ1=21,λ2=31,ρ(A)=λ1=21


在这里插入图片描述

λ ( A ) = { 2 i , 1 } , ρ ( A ) = 2 \begin{aligned} &\lambda(A)=\{2i,1\},\rho(A)=2 \end{aligned} λ(A)={2i,1},ρ(A)=2

a. 谱半径性质

  • 正性:任一方阵 A n × n A_{n\times n} An×n 必有 ρ ( A ) ≥ 0 \rho(A)\ge 0 ρ(A)0

  • 齐次公式: ρ ( k A ) = ∣ k ∣ ρ ( A ) \rho(kA)=\vert k\vert \rho(A) ρ(kA)=kρ(A)

    可写齐次公式 ρ ( A k ) = 1 ∣ k ∣ ρ ( A ) \rho(\frac{A}{k})=\frac{1}{\vert k\vert}\rho(A) ρ(kA)=k1ρ(A)

    可取正数 k = ρ ( A ) + ϵ , ϵ > 0 k=\rho(A)+\epsilon,\epsilon>0 k=ρ(A)+ϵ,ϵ>0 ,则有 ρ ( A k ) = ρ ( A ρ ( A ) + ϵ ) = 1 ρ ( A ) + ϵ ρ ( A ) < 1 \rho(\frac{A}{k})=\rho(\frac{A}{\rho(A)+\epsilon})=\frac{1}{\rho(A)+\epsilon}\rho(A)<1 ρ(kA)=ρ(ρ(A)+ϵA)=ρ(A)+ϵ1ρ(A)<1

  • 幂公式: ρ ( A k ) = [ ρ ( A ) ] k \rho(A^k)=[\rho(A)]^k ρ(Ak)=[ρ(A)]k

b. 谱范不等式

ρ ( A ) ≤ ∥ A ∥ \rho(A)\le \Vert A\Vert ρ(A)A 对于一切矩阵范数 ∥ A ∥ \Vert A\Vert A 成立

  • SP:若 A 是正规阵,则 ρ ( A ) = ∥ A ∥ 2 \rho(A)=\Vert A\Vert_2 ρ(A)=A2
  • ρ ( A ) = lim ⁡ k → ∞ ∥ A k ∥ 1 k \rho(A)=\lim_{k\rightarrow \infty}\limits\Vert A^k\Vert^{\frac{1}{k}} ρ(A)=klimAkk1

证明:
λ ( A ) = { λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ n } , λ 1 = m a x { ∣ λ 1 ∣ , ⋯   , ∣ λ n ∣ } = ρ ( A ) 取特根 X ≠ 0 , 使 A X = λ 1 X , 令矩阵 B = ( X , X , ⋯   , X ) n × n ≠ 0 可知 A B = ( A X , ⋯   , A X ) = λ 1 B , ∣ λ 1 ∣ ∥ B ∥ = ∥ A B ∥ ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ B ∥ ,且 ∥ B ∥ > 0 ∴ ∣ λ 1 ∣ < ∥ A ∥ , 由谱半径定义得: ρ ( A ) = ∥ A ∥ \begin{aligned} &\lambda(A)=\{\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n\} ,\lambda_1=max\{\vert\lambda_1\vert,\cdots,\vert \lambda_n\vert\} =\rho(A)\\ &取特根X\neq 0,使AX=\lambda_1X,令矩阵B=\left(X,X,\cdots,X\right)_{n\times n}\neq 0\\ &可知AB=(AX,\cdots,AX)=\lambda_1B,\vert \lambda_1\vert\Vert B\Vert=\Vert AB\Vert\le \Vert A\Vert\cdot\Vert B\Vert,且\Vert B\Vert>0\\ &\therefore \vert \lambda_1\vert<\Vert A\Vert,由谱半径定义得:\rho(A)=\Vert A\Vert \end{aligned} λ(A)={λ1,λ2,,λn}λ1=max{λ1,,λn}=ρ(A)取特根X=0,使AX=λ1X,令矩阵B=(X,X,,X)n×n=0可知AB=(AX,,AX)=λ1B,λ1∣∥B=ABAB,且B>0λ1<A,由谱半径定义得:ρ(A)=A
证明2:
任取矩阵范数 ∥ A ∥ , 产生向量范数 ∥ X ∥ , 且 ∥ A X ∥ ≤ ∣ A ∥ ⋅ ∥ X ∥ 任取 A 的特征值 λ , 有特向 X ≠ 0 , 使 A X = λ X 则 ∣ λ ∣ ∥ X ∥ = ∥ λ X ∥ = ∥ A X ∥ ≤ ∥ A ∥ ⋅ ∥ X ∥ , 且 ∥ X ∥ > 0 ∴ ∣ λ ∣ ≤ ∥ A ∥ ⇒ ρ ( A ) ≤ ∥ A ∥ \begin{aligned} &任取矩阵范数 \Vert A\Vert,产生向量范数\Vert X\Vert,且 \Vert AX\Vert\le \vert A\Vert\cdot\Vert X\Vert\\ &任取A的特征值\lambda,有特向X\neq 0,使 AX=\lambda X\\ &则\vert \lambda\vert\Vert X\Vert=\Vert \lambda X\Vert=\Vert AX\Vert\le \Vert A\Vert\cdot \Vert X\Vert,且 \Vert X\Vert>0\\ &\therefore \vert \lambda\vert\le \Vert A\Vert\Rightarrow \rho(A)\le \Vert A\Vert \end{aligned} 任取矩阵范数A,产生向量范数X,AXAX任取A的特征值λ,有特向X=0,使AX=λXλ∣∥X=λX=AXAX,X>0λAρ(A)A

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c. 小范数定理

A ∈ C n , n A\in C^{n,n} ACn,n 固定,任取很小正数 ϵ > 0 \epsilon>0 ϵ>0 ,则有矩阵范数 ∥ ∙ ∥ ϵ \Vert \bullet\Vert_\epsilon ϵ ,使 ∥ A ∥ ϵ ≤ ρ ( A ) + ϵ \Vert A\Vert_\epsilon\le \rho(A)+\epsilon Aϵρ(A)+ϵ

证明小范数定理

新范数公式:固定可逆阵 P = P n × n P=P_{n\times n} P=Pn×n ∥ A ∥ \Vert A\Vert A 为矩阵范数 A ∈ C n × n A\in C^{n\times n} ACn×n ,令 φ ( A ) = ∥ P − 1 A P ∥ \varphi(A)=\Vert P^{-1}AP\Vert φ(A)=P1AP ,则 φ ( A ) \varphi(A) φ(A) 为矩阵范数,记新范数为 φ ( A ) = ∥ A ∥ P \varphi(A)=\Vert A\Vert_P φ(A)=AP 或 $\varphi(A)=\Vert A\Vert_新 $

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推论

ρ ( A ) < 1 \rho(A)<1 ρ(A)<1 ,则有某个范数 ∥ A ∥ ϵ < 1 \Vert A\Vert_\epsilon<1 Aϵ<1
∵ ρ ( A ) < 1 ,则 1 − ρ ( A ) > 0 , 取 ϵ > 0 很小,任意 ϵ < 1 2 [ 1 − ρ ( A ) ] 可知 ρ ( A ) + ϵ < ρ ( A ) + 1 2 [ 1 − ρ ( A ) ] = 1 2 [ 1 + ρ ( A ) ] < 1 , 由小范数定理, ∃ ∥ A ∥ ϵ < ρ ( A ) + ϵ < 1 \begin{aligned} &\because \rho(A)<1,则1-\rho(A)>0,取\epsilon>0很小,任意\epsilon <\frac{1}{2}[1-\rho(A)]\\ &可知 \rho(A)+\epsilon<\rho(A)+\frac{1}{2}[1-\rho(A)] = \frac{1}{2}[1+\rho(A)]<1,\\ &由小范数定理,\exist\Vert A\Vert_\epsilon<\rho(A)+\epsilon<1 \end{aligned} ρ(A)<1,则1ρ(A)>0,ϵ>0很小,任意ϵ<21[1ρ(A)]可知ρ(A)+ϵ<ρ(A)+21[1ρ(A)]=21[1+ρ(A)]<1,由小范数定理,∃∥Aϵ<ρ(A)+ϵ<1

总结

给定方阵 A n × n A_{n\times n} An×n ∀ ϵ > 0 \forall \epsilon >0 ϵ>0 ,有某个范数 ∥ ∙ ∥ ϵ < ρ ( A ) + ϵ \Vert \bullet\Vert_\epsilon<\rho(A)+\epsilon ϵ<ρ(A)+ϵ

SP:若 ρ ( A ) < 1 \rho(A)<1 ρ(A)<1 ,则有某范数 ∥ A ∥ ϵ < 1 \Vert A\Vert_\epsilon<1 Aϵ<1

A = A n × n A=A_{n\times n} A=An×n 为单阵(相似与对角阵) ,则存在矩阵范数 ∥ X ∥ P , X ∈ C n × n \Vert X\Vert_P,X\in C^{n\times n} XP,XCn×n ,使得 $\Vert A\Vert_P=\rho(A) $

e. 谱范的应用——矩阵绝对收敛判定

若方阵A满足 A k → 0 ( k → ∞ ) A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) Ak0(k) ,即 lim ⁡ k → ∞ A k = 0 \lim_{k\rightarrow\infty}\limits A^k=0 klimAk=0 ,称A为收敛阵

充要条件

  1. lim ⁡ k → ∞ A k = 0    ⟺    ∥ A k ∥ = 0 \lim_{k\rightarrow\infty}\limits A^k=0\iff \Vert A^k\Vert=0 klimAk=0Ak=0

    证明:
    ∵ lim ⁡ k → ∞ A k = 0    ⟺    A k 中每个元素 a i j ( k ) → 0    ⟺    ∥ A k ∥ M = ∑ i , j ∣ a i j ( k ) ∣ → k → ∞ 0 且由矩阵范数等价性,有 lim ⁡ k → ∞ A k = 0    ⟺    ∥ A k ∥ → k → ∞ 0 \begin{aligned} &\because \lim_{k\rightarrow \infty}A^k=0\iff A^k中每个元素 a_{ij}^{(k)}\rightarrow 0\iff \Vert A^k\Vert_M=\sum_{i,j}\vert a_{ij}^{(k)}\vert\xrightarrow{k\rightarrow \infty} 0\\ &且 由矩阵范数等价性,有\lim_{k\rightarrow \infty}\limits A^k=0\iff \Vert A^k\Vert\xrightarrow{k\rightarrow \infty}0 \end{aligned} klimAk=0Ak中每个元素aij(k)0AkM=i,jaij(k)k 0且由矩阵范数等价性,有klimAk=0Akk 0

  2. ρ ( A ) < 1    ⟺    ∥ A k ∥ → 0 ( k → ∞ ) ⇒ A k → 0 ( k → ∞ ) \rho(A)<1\iff \Vert A^k\Vert\rightarrow 0 (k\rightarrow \infty)\Rightarrow A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) ρ(A)<1Ak0(k)Ak0(k)

    • 充分性:

      ρ ( A ) < 1 \rho(A)<1 ρ(A)<1,则 ∃ \exist 某小范数 ∥ A ∥ ϵ < 1 ⇒ ∥ A k ∥ ϵ ≤ ∥ A ∥ ϵ k → 0    ⟺    ∥ A k ∥ ϵ → 0 \Vert A\Vert_\epsilon<1\Rightarrow \Vert A^k\Vert_\epsilon\le \Vert A\Vert^k_\epsilon\rightarrow 0\iff \Vert A^k\Vert_\epsilon\rightarrow 0 Aϵ<1AkϵAϵk0Akϵ0

      由于范数等价性,对于所有范数都有 ∥ A k ∥ → k → ∞ 0 \Vert A^k\Vert\xrightarrow{k\rightarrow \infty}0 Akk 0

    • 必要性:

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充分条件

  • 某一范数 ∥ A ∥ < 1 ⇒ ∥ A k ∥ → 0 ( k → ∞ ) \Vert A\Vert<1\Rightarrow \Vert A^k\Vert\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) A<1Ak0(k)

    若范数 ∥ A ∥ < 1 ⇒ ∥ A k ∥ ≤ ∥ A ∥ k \Vert A\Vert<1\Rightarrow \Vert A^k\Vert\le \Vert A\Vert^k A<1AkAk 已知 ∥ A ∥ < 1 ⇒ ∥ A ∥ k → k → ∞ 0 \Vert A\Vert<1\Rightarrow \Vert A\Vert^k\xrightarrow{k\rightarrow \infty} 0 A<1Akk 0 ,则 ⇒ ∥ A k ∥ → 0 ⇒ A k → k → ∞ 0 , A 为收敛阵 \Rightarrow \Vert A^k\Vert\rightarrow 0\Rightarrow A^k\xrightarrow{k\rightarrow\infty} 0,A为收敛阵 Ak0Akk 0A为收敛阵

总结

ρ ( A ) < 1    ⟺    A k → 0 ( k → ∞ ) \rho(A)<1\iff A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) ρ(A)<1Ak0(k) ,A为收敛阵

某一范数 ∥ A ∥ < 1 ⇒ A k → 0 ( k → ∞ ) \Vert A\Vert<1\Rightarrow A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) A<1Ak0(k) ,A为收敛阵

纽曼公式(矩阵级数收敛公式)
  1. ρ ( A ) < 1 \rho(A)<1 ρ(A)<1 ,则 I + A + A 2 + ⋯ + A k = ( I − A ) − 1 I+A+A^2+\cdots+A^k=(I-A)^{-1} I+A+A2++Ak=(IA)1

    ρ ( A ) ≥ 1 \rho(A)\ge 1 ρ(A)1 ,则 I + A + A 2 + ⋯ + A k I+A+A^2+\cdots+A^k I+A+A2++Ak 发散,无意义

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  2. 若某范数 ∥ A ∥ < 1 \Vert A\Vert<1 A<1 ,则 I + A + A 2 + ⋯ + A k = ( I − A ) − 1 I+A+A^2+\cdots+A^k=(I-A)^{-1} I+A+A2++Ak=(IA)1

证明
( 1 ) 已知 ρ ( A ) < 1 ⇒ A k → 0 ( k → ∞ ) ( I − A ) ( I + A + A 2 + ⋯ + A k ) = I − A k + 1 当 k → ∞ , ⇒ ( I − A ) ( I + A + A 2 + ⋯ + A k ) = I 故可得 ( I − A ) − 1 = I + A + A 2 + ⋯ + A k \begin{aligned} &(1)已知\rho(A)<1\Rightarrow A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) \\ &(I-A)(I+A+A^2+\cdots+A^k)=I-A^{k+1}\\ &当k\rightarrow \infty,\Rightarrow (I-A)(I+A+A^2+\cdots+A^k)=I\\ &故可得 (I-A)^{-1}=I+A+A^2+\cdots+A^k \end{aligned} (1)已知ρ(A)<1Ak0(k)(IA)(I+A+A2++Ak)=IAk+1k,(IA)(I+A+A2++Ak)=I故可得(IA)1=I+A+A2++Ak


( 2 ) 若 ∥ A ∥ < 1 , 则 ρ ( A ) ≤ ∥ A ∥ < 1 , 由 ( 1 ) 结论,可知结论成立 \begin{aligned} &(2)若 \Vert A\Vert<1,则\rho(A)\le \Vert A\Vert <1,由(1)结论,可知结论成立 \end{aligned} (2)A<1,ρ(A)A<1,(1)结论,可知结论成立

eg

【矩阵论】6.范数理论——基本概念——矩阵范数生成向量范数&谱范不等式_第7张图片

∥ A ∥ 1 = 4 3 , ∥ A ∥ ∞ = 3 2 , λ ( A ) = { 1 2 , 1 3 } , ρ ( A ) < 1 故 ∑ k = 0 ∞ A k = ( I − A ) − 1 = ( 1 2 − 1 0 2 3 ) − 1 = 3 ( 2 3 1 0 1 2 ) = ( 2 3 0 3 2 ) \begin{aligned} &\Vert A\Vert_1=\frac{4}{3},\Vert A\Vert_\infty=\frac{3}{2},\lambda(A)=\{\frac{1}{2},\frac{1}{3}\} ,\rho(A)<1\\ &故\sum_{k=0}\limits^\infty A^k=(I-A)^{-1}=\left( \begin{matrix} \frac{1}{2}&-1\\0&\frac{2}{3} \end{matrix} \right)^{-1}=3\left( \begin{matrix} \frac{2}{3}&1\\0&\frac{1}{2} \end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix} 2&3\\0&\frac{3}{2} \end{matrix} \right) \end{aligned} A1=34,A=23,λ(A)={21,31}ρ(A)<1k=0Ak=(IA)1=(210132)1=3(320121)=(20323)


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∥ ( I − A ) − 1 ∥ \Vert (I-A)^{-1}\Vert (IA)1 计算

A ∈ C n × n A\in C^{n\times n} ACn×n ∥ A ∥ \Vert A\Vert A 是矩阵范数,若 ∥ A ∥ < 1 \Vert A\Vert<1 A<1 ,则 I − A I-A IA 为非奇异阵(可逆),且 ∥ ( I − A ) − 1 ∥ ≤ ∥ I ∥ 1 − ∥ A ∥ \Vert (I-A)^{-1}\Vert\le \frac{\Vert I\Vert}{1-\Vert A\Vert} (IA)11AI

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