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)=∥X∥V
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)=Δ∥XαT∥,∀X∈Cn,α= a1⋮an =0为权向量,表示对每个列向量放缩形成矩阵则φ(X)=Δ∥XαT∥=∥a1X,a2X,⋯,anX∥,右边为一个矩阵范数显然①正性:φ(X)=∥XαT∥≥0②齐性:φ(kX)=∥(kX)αT∥=∥a1kX,a2kX,⋯,ankX∥=∣k∣∥a1X,a2X,⋯,anXn∥=∣k∣φ(X)③三角性:令X,Y∈Cn,∵φ(X+Y)=∥(X+Y)αT∥=∥XαT+YαT∥≤∥XαT∥+∥YαT∥=φ(X)+φ(Y)④相容性:φ(AX)=∥(AX)αT∥=∥A(XαT)∥≤∥A∥⋅∥XαT∥=∥A∥⋅φ(X)可证,∥AX∥V≤∥A∥⋅∥X∥V,即矩阵范数与向量范数有相容性
eg
令 e 1 = ( 1 0 ⋮ 0 ) e_1=\left(\begin{matrix}1\\0\\\vdots\\0\end{matrix}\right) e1= 10⋮0 ,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)=Δ∥Xe1T∥V=∥X(1,0,⋯,0)∥= x1x2⋮xn00⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮0 ∗ , X = ( x 1 ⋮ x n ) ∈ C n X =\left(\begin{matrix}x_1\\\vdots\\x_n\end{matrix}\right)\in C^n X= x1⋮xn ∈Cn ,且 ∥ X ∥ V \Vert X\Vert_V ∥X∥V 满足相容性 ∥ A X ∥ V ≤ ∥ A ∥ ∗ ⋅ ∥ X ∥ V \Vert AX\Vert_V\le \Vert A\Vert_*\cdot\Vert X\Vert_{V} ∥AX∥V≤∥A∥∗⋅∥X∥V , A ∈ C n , n A\in C^{n,n} A∈Cn,n , X ∈ C n X\in C^n X∈Cn
eg
取 F 范数 ∥ A ∥ = ∥ A ∥ F \Vert A\Vert=\Vert A\Vert_F ∥A∥=∥A∥F ,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,∥X∥V=Δ∥Xe1T∥= x1x2⋮xn00⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮0 F=∣x1∣2+∣x2∣2+⋯+∣xn∣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∈Cn,n,∥AX∥2=∥(AX)e1T∥=∥A(Xe1T)∥≤∥A∥F⋅∥X∥2
取总和范数 ∥ A ∥ M = ∑ ∣ a i j ∣ \Vert A\Vert_M=\sum \vert a_{ij}\vert ∥A∥M=∑∣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,∥X∥V=Δ∥Xe1T∥= x1x2⋮xn00⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮0 M=∑∣aij∣=∥X∥1即有相容性:∥AX∥1=∥AXe1T∥≤∥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
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,∥X∥V=Δ∥Xe1T∥= x1x2⋮xn00⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮0 ∞=1≤i≤nmax{∣xi∣}=∥X∥∞∥AX∥∞≤∥A∥∞∥X∥∞
取列范数 ∥ A ∥ 1 \Vert A\Vert_1 ∥A∥1 ,由特别生成公式 ∥ X ∥ V = Δ ∥ X ∥ 1 \Vert X\Vert_V\overset{\Delta}{=}\Vert X \Vert_1 ∥X∥V=Δ∥X∥1 , ∥ A X ∥ 1 ≤ ∥ A ∥ 1 ⋅ ∥ X ∥ 1 \Vert AX\Vert_1 \le \Vert A\Vert_1 \cdot \Vert X \Vert_1 ∥AX∥1≤∥A∥1⋅∥X∥1
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
∵ 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
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
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)=∣k∣ρ(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)=∣k∣1ρ(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
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
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∥=∥AB∥≤∥A∥⋅∥B∥,且∥B∥>0∴∣λ1∣<∥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∥,且∥AX∥≤∣A∥⋅∥X∥任取A的特征值λ,有特向X=0,使AX=λX则∣λ∣∥X∥=∥λX∥=∥AX∥≤∥A∥⋅∥X∥,且∥X∥>0∴∣λ∣≤∥A∥⇒ρ(A)≤∥A∥
设 A ∈ C n , n A\in C^{n,n} A∈Cn,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 ∥A∥ϵ≤ρ(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} A∈Cn×n ,令 φ ( A ) = ∥ P − 1 A P ∥ \varphi(A)=\Vert P^{-1}AP\Vert φ(A)=∥P−1AP∥ ,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)=∥A∥P 或 $\varphi(A)=\Vert A\Vert_新 $
若 ρ ( A ) < 1 \rho(A)<1 ρ(A)<1 ,则有某个范数 ∥ A ∥ ϵ < 1 \Vert A\Vert_\epsilon<1 ∥A∥ϵ<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1−ρ(A)>0,取ϵ>0很小,任意ϵ<21[1−ρ(A)]可知ρ(A)+ϵ<ρ(A)+21[1−ρ(A)]=21[1+ρ(A)]<1,由小范数定理,∃∥A∥ϵ<ρ(A)+ϵ<1
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 ∥A∥ϵ<1
若 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} ∥X∥P,X∈Cn×n ,使得 $\Vert A\Vert_P=\rho(A) $
若方阵A满足 A k → 0 ( k → ∞ ) A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) Ak→0(k→∞) ,即 lim k → ∞ A k = 0 \lim_{k\rightarrow\infty}\limits A^k=0 k→∞limAk=0 ,称A为收敛阵
充要条件
lim k → ∞ A k = 0 ⟺ ∥ A k ∥ = 0 \lim_{k\rightarrow\infty}\limits A^k=0\iff \Vert A^k\Vert=0 k→∞limAk=0⟺∥Ak∥=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} ∵k→∞limAk=0⟺Ak中每个元素aij(k)→0⟺∥Ak∥M=i,j∑∣aij(k)∣k→∞0且由矩阵范数等价性,有k→∞limAk=0⟺∥Ak∥k→∞0
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)<1⟺∥Ak∥→0(k→∞)⇒Ak→0(k→∞)
充分性:
若 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 ∥A∥ϵ<1⇒∥Ak∥ϵ≤∥A∥ϵk→0⟺∥Ak∥ϵ→0
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 ∥Ak∥k→∞0
必要性:
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∥<1⇒∥Ak∥→0(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∥<1⇒∥Ak∥≤∥A∥k 已知 ∥ A ∥ < 1 ⇒ ∥ A ∥ k → k → ∞ 0 \Vert A\Vert<1\Rightarrow \Vert A\Vert^k\xrightarrow{k\rightarrow \infty} 0 ∥A∥<1⇒∥A∥kk→∞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 ⇒∥Ak∥→0⇒Akk→∞0,A为收敛阵
ρ ( A ) < 1 ⟺ A k → 0 ( k → ∞ ) \rho(A)<1\iff A^k\rightarrow 0(k\rightarrow \infty) ρ(A)<1⟺Ak→0(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∥<1⇒Ak→0(k→∞) ,A为收敛阵
若 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=(I−A)−1 ;
若 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
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=(I−A)−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)<1⇒Ak→0(k→∞)(I−A)(I+A+A2+⋯+Ak)=I−Ak+1当k→∞,⇒(I−A)(I+A+A2+⋯+Ak)=I故可得(I−A)−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)若∥A∥<1,则ρ(A)≤∥A∥<1,由(1)结论,可知结论成立
eg
∥ 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} ∥A∥1=34,∥A∥∞=23,λ(A)={21,31},ρ(A)<1故k=0∑∞Ak=(I−A)−1=(210−132)−1=3(320121)=(20323)
设 A ∈ C n × n A\in C^{n\times n} A∈Cn×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 I−A 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} ∥(I−A)−1∥≤1−∥A∥∥I∥