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定理Theorem

Hermitian 特征对的残差与方向证书

Hermitian eigenpair residual bound · Residual-gap eigenvector angle bound

把可计算特征对残差分别转成谱距离、结构化后向误差与有谱隙条件的方向界,并核验三阶扰动。

形式陈述 ​

小残差究竟认证了哪三件事 ​

设 A=A∗∈Cn×n,‖u‖2=1,取实数 ρ 并定义残差 r=Au−ρu。用二范数度量时,首先有

dist(ρ,σ(A))≤‖r‖2.

它保证靠近某个特征值,还没有辨认是哪一个。若已指定目标谱子空间 U,令 P 为其正交投影,并已知互补谱与 ρ 的距离

δ=minλ∈σ(A|U⊥)|λ−ρ|>0,

则

‖(I−P)u‖2≤‖r‖2δ.

互补空间为零时左侧为零,直接结束,无需对空谱取最小值。若目标是简单特征值的单位特征向量 v,左侧就是 sin⁡∠(u,v)=1−|v∗u|2,不受符号或复相位选择影响。

第三,当 ρ=u∗Au 是 Rayleigh 商时,存在 Hermitian 扰动 Δ 使 (A+Δ)u=ρu,且所有这样的扰动中最小二范数恰为 ‖r‖2。这是指定候选特征对的结构化后向误差。

谱坐标同时给出距离与角度 ​

用谱定理写 u=∑jcjvj,其中 vj 正交规范,Avj=λjvj。则

‖r‖22=∑j|λj−ρ|2|cj|2,∑j|cj|2=1.

以所有距离的最小值下界每项,得到谱距离界。只对目标空间以外的项求和,则得到 ‖r‖22≥δ2∑j∉U|cj|2,即方向界。分母确实是候选值到互补谱的距离,不能无说明地换成任意一对近似特征值之差。

Rayleigh 商条件给出 u∗r=0。若 r≠0,置

Δ=−ru∗−ur∗.

它 Hermitian 且 Δu=−r,在正交基 u,r/‖r‖ 下只有二阶块 (0−‖r‖−‖r‖0),其余方向作用为零,所以 ‖Δ‖2=‖r‖2。任何可行扰动都满足 Δu=−r,故范数至少为 ‖r‖2。r=0 时取 Δ=0,证明同样完成。

直觉

残差小意味着方程闭合得好。Hermitian 的正交谱坐标防止不同错误分量互相抵消,因而能保证附近确有谱点;但若两个谱点靠得很近,沿它们之间旋转也只产生很小残差。

方向误差因此一定需要间隔。重特征值内部没有唯一轴可追踪,正确对象是整个特征空间;把所有单位向量强行与某一条选定轴比较,会把合法的基变化误判成失败。

图中红色分量是正交投影误差,不是残差 r。定理把两者通过谱间隔联系起来,不能把它们直接画成同一向量。

例子与边界

用已知参考谱认证受扰动的顶端方向 ​

取 ε∈R,令

B=(21012ε0ε5),t=|ε|<1,u=e3.

候选值 ρ=uTBu=5,残差 r=(0,ε,0)T,范数为 t。与 ε=0 的矩阵比较,Weyl 界给 μ1∈[1−t,1+t]、μ2∈[3−t,3+t]、μ3∈[5−t,5+t],三个区间分离。

因此距 5 不超过 t 的目标是唯一的顶端特征值 μ3。其余两根到 5 的距离至少为 2−t,所以对应单位向量 v3 满足

|μ3−5|≤t,sin⁡∠(e3,v3)≤t2−t.

t=1/2 时,谱误差界为 1/2,正弦角界为 1/3。证书没有用到未知的精确特征向量;它所需的间隔下界来自已知参考谱和扰动范数。

没有间隔,小残差可以对应大角度 ​

取 Aη=diag(0,η)、u=(1,1)T/2,η>0。Rayleigh 商为 η/2,残差范数为 η/2→0,但 u 与任一坐标特征轴的角度都为 45∘。若把目标指定为 e1,互补距离也为 η/2,本页只给平凡上界 1,准确反映了缺少分离的信息。

推论与应用

用于幂迭代或逆迭代验收时,应分别记录归一化、Rayleigh 商、原矩阵残差、目标识别依据和互补间隔下界。多个候选可能都靠近同一个真特征值,单独的残差包围不保证已经找全谱。

若浮点残差 r^ 的计算误差有上界 ηr,只能安全使用 ‖r‖≤‖r^‖+ηr。严格数值证书还需对间隔使用可靠下界;直接把两项打印小数相减不等于验证了谱隙。一般停止与误差的区别见残差与误差估计,谱簇的基不变版本见子空间残差界。

参考资料
关系图谱15 个相邻概念 · 2 类关系

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