【AI数学】特征值与特征向量篇python(学习记录)

一、特征值与特征向量简介

  特征值与特征向量是线性代数的核心内容，也是方阵的属性之一，在机器学习算法中应用十分广泛，可应用在降维、特征提取、图像压缩等领域。
  矩阵与向量相乘是对向量进行线性变换，是对原始向量同时施加方向和长度的变化。通常情况下，绝大部分向量都会被这个矩阵变换的面目全非，但是存在一些特殊的向量，被矩阵变换之后，仅有长度上的变化，用数学公式表示为 $Ax=\lambda x$，其中 $x$ 为向量，$\lambda$ 对应长度变化的比例，称 $\lambda$ 为特征值， $x$ 为 $\lambda$ 对应的特征向量。
  矩阵特征值与特征向量的动态意义在于变化的速度与方向，特征向量对应变化方向，而特征值对应变化速度。

二、求解特征值与特征向量

  在Numpy中通过向np.linalg.eig()函数传递方阵 $A$，根据np.linalg.eig()函数的返回值，得到方阵 $A$的特征值和特征向量。

import numpy as np
B = [[4,2], [1,5]]
A = np.array(B)
eig_val,eig_vex = np.linalg.eig(A)         #eig()函数求解特征值和特征向量
print("A的特征值为：\n",eig_val)
print("A的特征向量为：\n",eig_vex)

输出为：

A的特征值为：
 [3. 6.]
A的特征向量为：
 [[-0.89442719 -0.70710678]
 [ 0.4472136  -0.70710678]]

注意：np.linalg.eig()函数求解出的特征向量已经标准化，即满足 $||eig\_ve{x}_i||=1$

根据特征值生成特征矩阵 $sigma$，验证$A\times eig\_vex=eig\_vex\times sigma$：

sigma = np.diag(eig_val)  # 特征值的对角化
print("A × eig_vex与eig_vex × sigma是否相等：",
      np.allclose(A.dot(eig_vex),eig_vex.dot(sigma)))
print("A × eig_vex与sigma × eig_vex是否相等：",
      np.allclose(A.dot(eig_vex),sigma.dot(eig_vex)))

输出为：

A × eig_vex与eig_vex × sigma是否相等： True
A × eig_vex与sigma × eig_vex是否相等： False

三、特征值分解

  特征值分解是将矩阵 $A$ 分解成 $A=Q\sum Q^{-1}$的形式，分解前提是 $A$ 必须是 $n$ 阶方阵且可以对角化。公式中，$Q$ 是 $A$ 的特征向量组成的矩阵， $\sum$ 是对角阵，其主对角线上的元素代表 $A$ 的特征值，特征向量矩阵 $Q$ 的第 $i$ 个列向量与 $\sum$ 的第 $i$ 行对角线上的特征值对应，$Q^{-1}$ 是 $Q$ 的逆矩阵。

import numpy as np
B = [[4,2], [1,5]]
A = np.array(B)
eig_val,eig_vex = np.linalg.eig(A)   # eig()函数求解特征值和特征向量
print("A的特征值为：\n",eig_val)
print("A的特征向量为：\n",eig_vex)
sigma = np.diag(eig_val)           # 特征值的对角化
print("特征值矩阵：\n",sigma)
C = eig_vex.dot(sigma.dot(np.linalg.inv(eig_vex)))
print("A与新构造出的矩阵C是否相同",np.allclose(A,C))

输出为：

A的特征值为：
 [3. 6.]
A的特征向量为：
 [[-0.89442719 -0.70710678]
 [ 0.4472136  -0.70710678]]
特征值矩阵：
 [[3. 0.]
 [0. 6.]]
A与新构造出的矩阵C是否相同 True

  利用eig()函数得到的 $eig\_val$ 是特征值，利用diag()函数将特征值对角化得到的 $sigma$ 是 $\sum$，$eig\_vex$ 是 $Q$ ，使用dot()函数将 $Q$、$\sum$ 和 $Q^{-1}$ 相乘构出新矩阵，通过allclose()函数判断新矩阵是否与原矩阵相同，$True$ 说明 $A=Q\sum Q^{-1}$ 成立。

参考资料
人工智能数学基础（北京大学出版社）