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定义Definition

对数范数与瞬时增长界

Logarithmic norm · Matrix measure

从单位映射的单侧增率定义带符号的矩阵增长量,证明常用公式与最小指数传播界,并追踪换尺度的代价。

形式陈述 ​

矩阵范数量的是一次作用能放大多少;微分方程每个很短的时间步却先保留原状态,再加上一个增量。对实方阵 A∈Rd×d,d≥1,固定同一实向量范数及其诱导矩阵范数,定义

(1)μ(A)=limh↓0‖I+hA‖−1h.

这个实数称为相应范数下的对数范数,也叫矩阵测度。名称不表示它满足范数公理,更不是测度论中的测度。时间增量只从正侧趋零。

极限确实存在 ​

函数 ϕ(h)=‖I+hA‖ 是凸函数,且 ϕ(0)=1。若 0<h<k,由凸性

ϕ(h)≤(1−h/k)ϕ(0)+(h/k)ϕ(k),

故 (ϕ(h)−1)/h≤(ϕ(k)−1)/k。这个商随 h 向零减小而单调下降;三角不等式又给

1−h‖A‖≤‖I+hA‖≤1+h‖A‖.

商有有限下界,因此式(1)存在,并满足 −‖A‖≤μ(A)≤‖A‖。

例如 μ(−I)=−1。若从负侧取极限,令 h=−s,结果是 −μ(−A),一般不等于 μ(A)。本页只使用有限维、固定范数、正向时间;不把式(1)直接用于无界算子。

三个可计算公式 ​

对实矩阵 A=(aij),有

(2)μ1(A)=maxj(ajj+∑i≠j|aij|),μ∞(A)=maxi(aii+∑j≠i|aij|),μ2(A)=λmax(A+AT2).

前两式保留对角元素的符号,只对非对角项取绝对值。第三式使用对称部分的最大特征值,并非 A 本身的最大特征值实部。

无穷范数公式可直接验证:取足够小的正 h,使所有 1+haii>0,则

‖I+hA‖∞=maxi(1+haii+h∑j≠i|aij|).

减一除以 h 即得第二式;对转置取行和得到第一式。

令 S=(A+AT)/2,λ=λmax(S)。对任意 ‖v‖2=1,

‖(I+hA)v‖22=1+2hvTSv+h2‖Av‖22.

Rayleigh商的最大值给

1+2hλ≤‖I+hA‖22≤1+2hλ+h2‖A‖22.

左界取 S 的最大特征值单位特征向量,右界对所有单位向量成立。开平方再取一阶增率,得到第三式,不需要忽略一个随方向变化的余项。

直觉

标量方程 x′=ax 在短时间内把 x 变为 (1+ha)x。a<0 时,|a| 虽然为正,真实幅度却在下降。对数范数正是把这件事推广到全部向量方向:它衡量 I+hA 的最坏相对增长速度,因此允许为负。

也可以从单位球看它。普通范数观察 A 把球拉到哪里;对数范数观察 I+hA 是否在一开始把整个球向内推。球的形状由所选范数决定,所以同一个系统在不同尺度下可能有不同的瞬时增长界。

带符号的指数界 ​

常系数线性方程 x′=Ax 的传播为 etA,并且

(3)‖etA‖≤etμ(A),t≥0.

证明先由矩阵指数级数得 ehA=I+hA+O(h2),故

‖ehA‖=1+hμ(A)+o(h).

固定 t>0,利用半群性质与次乘性,

‖etA‖≤‖e(t/n)A‖n=(1+tnμ(A)+o(1/n))n.

让 n→∞ 即得式(3)。它把每一小段的增长率接成整个正时间轴的保证。

更精确地,μ(A) 是满足 ‖etA‖≤ect 对所有 t≥0 成立的最小实数 c。任何这样的界在 t=0 取右增率都迫使 μ(A)≤c。这里指数前的系数固定为一;允许 Mect、M>1 后,最小可用指数的讨论会改变。

例子与边界

特征值都负,球仍可能先被拉大 ​

取

(4)A=(−280−2).

两个特征值都是 −2,但

μ∞(A)=6,μ2(A)=2,‖A‖∞=10.

精确传播是

etA=e−2t(18t01),‖etA‖∞=e−2t(1+8t).

其在零点的右导数为六。所有轨道最终衰减,与某些方向短时放大并不冲突;直接写 ‖etA‖≤e−2t 会漏掉非正规耦合。

换尺度后,物理分量的界也要一起换 ​

取任意固定可逆实矩阵 P,定义 ‖x‖P=‖P−1x‖。代入诱导范数的定义可得

(5)μP(A)=μ(P−1AP).

特别地,P=diag(w1,…,wd)、wi>0,基础范数取无穷范数时,

(6)‖x‖w=maxi|xi|/wi,μw(A)=maxi(aii+∑j≠i|aij|wjwi).

对式(4)取 w=(8,1),相似变换后的非对角项变为一,所以 μw(A)=−1。因此

‖x(t)‖w≤e−t‖x(0)‖w.

但这意味着 |x1(t)|≤8e−t‖x(0)‖w、|x2(t)|≤e−t‖x(0)‖w;不能删去第一分量的八。若统一换回原范数,通常要付出 ‖P‖‖P−1‖ 的因子。选择尺度并没有免费消除实际敏感性。

左图蓝线是原无穷范数的精确传播,红色短线标出零点处斜率六,并非整个时间区间的上界。右图蓝线是在固定权重 (8,1) 下的精确传播,灰色虚线是 e−t 上界;换回第一物理分量时仍须乘八。

如果让 P=P(t) 随时间改变,坐标 y=P(t)−1x 的方程还含 −P−1P′y。这时只对 P−1AP 取对数范数会漏项;式(5)的传播应用在本页明确限定固定 P。

负增长量不是任意离散步长的保证 ​

对标量 x′=−2x,μ=−2,而显式Euler一步因子为 1−2h。只有 0<h<1 时其绝对值严格小于一;h=1 时不衰减,h>1 时发散。对数范数解释连续流的增长,有限步更新还要检查自己的稳定域。

推论与应用

对不确定矩阵取可靠上界 ​

对数范数连续、正齐次并次可加:

(7)μ(cA)=cμ(A)(c≥0),μ(A+B)≤μ(A)+μ(B),|μ(A)−μ(B)|≤‖A−B‖.

正齐次来自重参数化 h。次可加用

I+h(A+B)=12(I+2hA)+12(I+2hB)

和范数凸性;最后一式由 |‖I+hA‖−‖I+hB‖|≤h‖A−B‖ 取极限得到。于是 μ 是凸函数,对连续矩阵族有

(8)μ(∫01J(s)ds)≤∫01μ(J(s))ds.

先对Riemann和使用正齐次与次可加,再用连续性取极限即可。这个平均界使非线性误差方程能够使用一整条线段上的Jacobian上界。

若只知道逐元素区间 aij∈[a―ij,a―ij],无穷范数的一个可靠上界是

μ∞(A)≤maxi(a―ii+∑j≠imax(|a―ij|,|a―ij|)).

稠密输入计算它需 O(d2) 次实数运算;有向外舍入时,每次上界累加也必须向上舍入。对称部分最大特征值的浮点近似则不自动是严格上界,需另附特征值包围或换用可认证的行和界。

Krylov指数作用中的缺陷传播需要一个已知的半群增长界,式(3)给出可计算选择。对一般非线性候选轨道,后验ODE误差管还要把Jacobian上界认证在整个管内,并证明真实解一直留在这里;仅在画出的中心曲线上算一次 μ 不足以完成这一步。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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