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定理Theorem

Hermitian 正定广义特征问题

Hermitian definite generalized eigenproblem · Symmetric definite matrix pencil

以正定度量归约 Ax=λBx,证明实谱和 B-正交基,给出广义 Rayleigh 商与正确的残差尺度。

形式陈述 ​

两个对称矩阵为什么不能直接当作一个对称矩阵 ​

考虑

Ax=λBx,x≠0,

其中 A=A∗,B=B∗≻0。这称为 Hermitian 正定广义特征问题。正定条件确保 x∗Bx>0,所以可定义广义 Rayleigh 商

RA,B(x)=x∗Axx∗Bx.

存在一组基组成矩阵 X,使

AX=BXΛ,X∗BX=I,X∗AX=Λ,

其中 Λ 实对角。也就是说,全部广义特征值为实数,且有相对于正定度量 B 的正交规范特征基。

这里 B−1A 虽具有相同特征方程,却通常不是 Euclidean 内积下的 Hermitian 矩阵。需要同时变换度量与算子,不能仅因 A,B 分别 Hermitian 就直接对乘积套谱定理。

Cholesky 归约为何保留全部信息 ​

由Cholesky 分解写 B=LL∗,L 可逆,令

C=L−1AL−∗,y=L∗x.

左乘 L−1 得 Ax=λBx 当且仅当 Cy=λy。又有 C∗=C,所以谱定理给 CY=YΛ、Y∗Y=I。取 X=L−∗Y,立即得到上述三项恒等式,且 X 可逆,证明没有漏掉任何方向。

同一变换给出 x∗Bx=‖y‖22 与 x∗Ax=y∗Cy。它保持子空间维数,因此Courant–Fischer 公式迁移为

λk=mindim⁡S=kmax0≠x∈SRA,B(x),

其中谱按升序。变分时不能把约束擅自换成 Euclidean 单位球并仍使用相同能量分子。

直觉

B 决定怎样量长度,A 决定怎样量另一种能量。广义特征值比较的是两者的比率。Cholesky 变换把 B 长度变成普通长度,再在正确的几何里对角化。

这也是非正交基中的谱压缩必须出现 Gram 矩阵的原因。基向量不正交时,坐标长度不是原空间的实际长度;保留 B 才能让答案不随基向量任意缩放而改变。

例子与边界

非对角度量下的完整计算 ​

取

A=(8666),B=(4222),L=(2011).

LLT=B,且 L 对角为正。直接计算

L−1AL−T=(2112)=C.

C 的单位特征向量 y1=(1,−1)T/2、y2=(1,1)T/2 对应 1,3。恢复原坐标得

x1=12(1,−1)T,x2=12(0,1)T.

逐项核验 Ax1=Bx1、Ax2=3Bx2,且 xiTBxj=δij。普通内积却有 x1Tx2=−1/2,并不正交。事实上 B−1A=(1023) 不对称,直接套 Euclidean 谱定理会误用假设。

正定性失败会失去哪一步 ​

取 A=(0110)、B=diag(1,−1)。两者实对称且 B 可逆,但

det⁡(A−λB)=−λ2−1,

广义特征值为 ±i。B 不是正定内积,实谱结论已经失败。

若 B 奇异,甚至 B−1A 也无定义。例如 A=I、B=diag(1,0) 的有限特征方程只有 λ=1 的一维方向,无法给出二维的有限实特征基;一般矩阵铅笔需处理无穷特征值或奇异结构,超出本页范围。

推论与应用

若近似向量已按 x∗Bx=1 归一化,取 ρ=x∗Ax、r=Ax−ρBx。在归约坐标中,y=L∗x 为单位向量,且

Cy−ρy=L−1r,‖L−1r‖22=r∗B−1r.

因此Hermitian 残差定理应使用 ‖r‖B−1,方向误差则按 B-内积衡量。只有额外控制 B 的条件性,才能把普通坐标残差或角度与它们互换。

对满列秩试验基 Z,Z∗AZy=θZ∗Zy 的度量矩阵正定,正好恢复Ritz 压缩。CCA也出现特定广义方程,但它的统计解释与白化 SVD 任务不同;本页提供一般确定性谱接口。

实际实现以三角求解完成 L−1 与 L−∗ 的作用,不必显式求逆。验收应同时检查 AX−BXΛ 与 X∗BX−I,并说明采用的尺度;只报告普通正交性不足以验证这个问题。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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