Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 12. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április / 35

Hasonló dokumentumok
Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 3. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április 3. 1 / 28

Bevezetés az algebrába 2 Vektor- és mátrixnorma

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Alkalmazott algebra - SVD

Szinguláris érték felbontás Singular Value Decomposition

Numerikus módszerek 1.

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Ortogonalizáció. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Ortogonalizáció / 41

Haladó lineáris algebra

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Mer legesség. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Mer legesség / 40

Skalárszorzat, norma, szög, távolság. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach/ 2005.

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

Matematika (mesterképzés)

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

1. Az euklideszi terek geometriája

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Alkalmazott algebra. Lineáris leképezések EIC. Wettl Ferenc ALGEBRA TANSZÉK BMETE90MX57 (FELSŐBB MATEMATIKA INFORMATIKUSOKNAK )

Lineáris algebra mérnököknek

Tartalomjegyzék. Bevezetés 17. I. A lineáris algebra forrásai Vektorok 29. A könyvben követett elvek 18 A könyv felépítése 21 Szoftverek 23

1. zárthelyi,

3. el adás: Determinánsok

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

Funkcionálanalízis. Gyakorló feladatok március 22. Metrikus tér, normált tér és skalárszorzat tér

Opkut deníciók és tételek

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Numerikus módszerek I. zárthelyi dolgozat (2017/18. I., A. csoport) Megoldások

Testek. 16. Legyen z = 3 + 4i, w = 3 + i. Végezzük el az alábbi. a) (2 4), Z 5, b) (1, 0, 0, 1, 1) (1, 1, 1, 1, 0), Z 5 2.

1. Bázistranszformáció

1. Házi feladat. Határidő: I. Legyen f : R R, f(x) = x 2, valamint. d : R + 0 R+ 0

II. Két speciális Fibonacci sorozat, szinguláris elemek, természetes indexelés

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

Lineáris algebra mérnököknek

Rang, sajátérték. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach/ február 15

2. előadás. Lineáris algebra numerikus módszerei. Mátrixok Mátrixműveletek Speciális mátrixok, vektorok Norma

Tartalomjegyzék. I. A lineáris algebra forrásai Vektorok Lineáris egyenletrendszerek és megoldásuk 63

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

3. előadás Stabilitás

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

Mátrixok 2017 Mátrixok

Alkalmazott algebra - skalárszorzat

1 Lebegőpontos számábrázolás

Komplex számok. Wettl Ferenc szeptember 14. Wettl Ferenc Komplex számok szeptember / 23

NUMERIKUS MÓDSZEREK FARAGÓ ISTVÁN HORVÁTH RÓBERT. Ismertet Tartalomjegyzék Pályázati támogatás Gondozó

Szalai Eszter. Mátrix felbontások és alkalmazásaik

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

25 i, = i, z 1. (x y) + 2i xy 6.1

1. feladatsor Komplex számok

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Lineáris Algebra. Tartalomjegyzék. Pejó Balázs. 1. Peano-axiomák

Véletlen bolyongás. Márkus László március 17. Márkus László Véletlen bolyongás március / 31

Faragó István Horváth Róbert NUMERIKUS MÓDSZEREK

Lin.Alg.Zh.1-2 feladatok

Tartalomjegyzék. Bevezetés 17. I. A lineáris algebra forrásai Vektorok 29. A könyvben követett elvek 18 A könyv felépítése 21 Szoftverek 23

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

rank(a) == rank([a b])

Normák, kondíciószám

Numerikus matematika vizsga

1. Mit jelent az, hogy egy W R n részhalmaz altér?

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

Lineáris algebra numerikus módszerei

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 22.

9. Tétel Els - és másodfokú egyenl tlenségek. Pozitív számok nevezetes közepei, ezek felhasználása széls érték-feladatok megoldásában

Principal Component Analysis

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Numerikus módszerek beugró kérdések

Lineáris algebra gyakorlat

A derivált alkalmazásai

1. Diagonalizálás. A Hom(V) diagonalizálható, ha van olyan bázis, amelyben A mátrixa diagonális. A diagonalizálható van sajátvektorokból álló bázis.

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

A fontosabb definíciók

FELVÉTELI VIZSGA, szeptember 12.

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

i=1 λ iv i = 0 előállítása, melynél valamelyik λ i

Egyváltozós függvények 1.

Bevezetés az algebrába 2

Analízis I. beugró vizsgakérdések

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Matematika A1a Analízis

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Első zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

7. gyakorlat megoldásai

Mátrixfelbontások BSc szakdolgozat

Átírás:

Szinguláris értékek Wettl Ferenc 2016. április 12. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 1 / 35

Tartalom 1 Szinguláris érték 2 Norma 3 Mátrixnorma 4 Alkalmazások Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 2 / 35

Szinguláris érték 1 Szinguláris érték Az SVD meghatározása Szinguláris érték szerinti felbontás létezése Szinguláris felbontás geometriai interpretációja 2 Norma Euklideszi vektornorma és p-norma A norma általános fogalma Vektornormák ekvivalenciája 3 Mátrixnorma Vektornorma mátrixokon A mátrixnorma általános fogalma Az 1-, 2- és -norma mátrixokra 4 Alkalmazások Információtömörítés Mögöttes tartalom analízise Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 3 / 35

Szinguláris érték Szinguláris értékek és vektorok D A pozitív σ 1 σ 2 σ r > 0 számok az r-rangú valós (komplex) A mátrix szinguláris értékei, ha van olyan {v 1,..., v r } ONB-a a sortérnek (konjugáltjának) és {u 1,..., u r } ONB-a az oszloptérnek, hogy Av i = σ i u i, i = 1,..., r. A v i vektorokat jobb, az u i vektorokat bal szinguláris vektoroknak nevezzük. m u i = 1 (i = 1, 2,..., r) Av i = σ i. Lehetne így: k = min(m, n), és σ r+1 = σ r+2 = = σ k = 0. P {v 1, v 2 } = {( 4, 3), ( 3, 4)}, 5 5 5 5 {u 1, u 2 } = {( 5, 12 13 13 ] [ ] [ 4 /5 5/13 [ 4/13 6 111/13 4 3 /5 σ 1 = 10, σ 2 = 5. = 10 12/13 ], [ 4/13 6 111/13 4 12 ), (, 5 )} 13 13 ] [ ] 3 /5 = 5 4/5 [ 12 /13 5/13 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 4 / 35 ],

Szinguláris érték J Jelölések σ 1 0... 0 0 σ Σ 1 = diag(σ 1,..., σ r ) = 2... 0........ U 1 = {u 1,..., u r } V 1 = {v 1,..., v r } 0 0... σ r Av i = σu i AV 1 = U 1 Σ 1 σ 1 0... 0 [ ] [ ] 0 σ A v 1 v 2... v r = u1 u 2... u r 2... 0........ {v 1,..., v r }-b l {u 1,..., u r }-b l ONB: V 2 = [ v r+1... v n ] U 2 = [ u r+1... u m ] 0 0... σ r Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 5 / 35

Szinguláris érték R-ben V 2 oszlopvektorai S (C-ben S-re) r < i n esetén Av i = 0. AV = [ ] Av 1... Av r Av r+1... Av n = [ σ 1 u 1... σ r u r 0... ] 0 σ 1 0... 0 0... 0 0 σ 2... 0 0... 0 = [ ]................. u 1... u r u r+1... u m 0 0... σ r 0... 0 0 0... 0 0... 0........... 0 0... 0 0... 0 = UΣ, azaz A m n V n n = U m m Σ m n, blokkmátrix alakban [ ] [ ] [ ] Σ A V 1 V 2 = 1 O U1 U 2. O O Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 6 / 35

Szinguláris érték Szinguláris (érték szerinti) felbontás, SVD D Szinguláris érték szerinti felbontás, vagy szinguláris felbontás: A = UΣV H Redukált szinguláris felbontás: A = U 1 Σ 1 V H 1 Szinguláris érték szerinti diadikus felbontás vagy a szinguláris felbontás diadikus alakja A = σ 1 u 1 v T 1 + σ 2 u 2 v T 2 + + σ r u r v T r. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 7 / 35

Szinguláris érték 0 2 2 2 3 2 = 4 2 0 = = 6 1/3 2 /3 2/3 2 /3 1/3 2/3 2/3 2/3 1/3 1/3 2 /3 2 /3 1/3 2/3 2/3 1 3 2 3 2 3 [ 2 3 2 3 6 0 0 0 3 0 0 0 0 2/3 2 /3 1/3 2/3 1/3 2 /3 1/3 2/3 2/3 [ ] [ ] 6 0 2 /3 2 /3 1/3 0 3 2/3 1/3 2 /3 ] 1 3 + 3 2 3 1 3 2 3 [ 2 3 ] 1 2 3 3 4/3 4 /3 2/3 4 /3 2 /3 4/3 = 8 /3 8/3 4 /3 + 2/3 1/3 2 /3. 8/3 8 /3 4/3 4/3 2/3 4 /3 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 8 / 35

Szinguláris érték Az SVD meghatározása m Ötlet: A H A = (UΣV H ) H UΣV H = VΣ H U H UΣV H = VΣ H ΣV H Ez A H A sajátfelbontása: V ortogonális (unitér), Σ H Σ diagonális (σ i 0) A H A sajátértékei épp a szinguláris értékek négyzetei, ui. Σ H Σ = diag(σ 2 1, σ2 2,..., σ2 r, 0,..., 0). SVD kiszámítása: 1 meghatározzuk A T A sajátértékeit (λ i ) és sajátvektorait (x i ), 2 a sajátértékek gyökei a szinguláris értékek (σ i = λ i ), 3 a jobb szinguláris vektorok a sajátvektorok (v i = x i / x i ), 4 bal szinguláris vektorok: mivel Av i = σ i u i, ezért u i = Av i /σ i, 4 alternatíva: a bal szinguláris vektorok megegyeznek az AA T sajátvektoraival, innen v i = A T u i /σ i, 5 a szinguláris vektorokból fölírható V 1 és U 1, a redukált szinguláris felbontás és a diadikus alak, 6 a V-hez ki kell egészíteni a {v 1,..., v r } vektorokat ONB-sá (hasonlóképp U-hoz) Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 9 / 35

Szinguláris érték Szinguláris érték szerinti felbontás létezése T A szinguláris értékek létezése és egyértelm sége: Minden r-rangú komplex A mátrixnak létezik r (pozitív) szinguláris értéke. Ezek megegyeznek A H A (illetve az AA H ) pozitív sajátértékeinek négyzetgyökeivel. A szinguláris értékek monoton csökken sorozata egyértelm. B A H A önadjungált: (A H A) H = A H (A H ) H = A H A minden sajátértéke valós, így ortogonálisan diagonalizálható, A H A pozitív szemidenit, így minden sajátértéke nemnegatív, ui. x H A H Ax = (Ax) H (Ax) = Ax 2 0. r(a H A) = r(a) = r, így (λ 1 λ 2 λ n rendezés után), λ i > 0, ha 1 i r, és λ i = 0, ha r < i n σ i = λ i > 0, ha 1 i r A H A sajátértékei egyértelm ek, ezért A szinguláris értékei is azok A H A és AA H 0-tól különböz sajátértékei megegyeznek Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 10 / 35

Szinguláris érték Szinguláris felbontás geometriai interpretációja P SVD hatása egységkörön 2-rangú 2 2-es mátrixszal: V T v i = e i, Σe i = σ i e i, Uσe i = σue i = σu i, azaz V T a {v i } bázist a standardba viszi ortogonális leképezéssel (forgatás vagy tükrözés), ott Σ tengelyirányban nyújtja/összenyomja, végül az ortogonális U hat rá. A = UΣV T : x UΣV T x: V T e Σ U σ 1 u 1 2 σ 2 e 2 v 2 e 1 σ 1 e 1 σ 2 u 2 v 1 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 11 / 35

Szinguláris érték Szinguláris felbontás geometriai interpretációja P 2 3-as, valós, 2-rangú mátrix: V T ortogonális, így hatása: V T v i = e i (i = 1, 2, 3). Σ a két els tengely irányában nyújt/összenyom: Σe i = σ i e i (i = 1, 2), a harmadik tengely irányával párhuzamosan vetít: Σe 3 = 0. A kép nem egy ellipszisvonal, hanem a teljes általa határolt tartomány. Végül az ortogonális U ezt elforgatja vagy tükrözi egy egyenesre. v 3 V T Σ U σ 1 u 1 e 2 σ 2 e 2 σ 2 u 2 v 2 e 1 e 3 σ 1 e 1 v 1 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 12 / 35

Szinguláris érték Szinguláris felbontás geometriai interpretációja T A egy r-rangú, m n-es valós mátrix. Az x Ax leképezés R n az e T e = 1 egyenletet kielégít, egységgömb felületén lév pontjait, R m egy r-dimenziós altere egy ellipszoidjának felületére képzi, ha r = n, és egy ellipszoidja által határolt tartományára képzi, ha r < n. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 13 / 35

Szinguláris érték Polárfelbontás m r e iϕ : egy nemnegatív nyújtási tényez (r) és egy egységnyi abszolút érték komplex szám (e iϕ, ami a komplex síkon ϕ-vel való forgatás) szorzata. D Polárfelbontáson egy négyzetes mátrixnak egy pozitív szemidenit és egy ortogonális mátrix szorzatára való felbontását értjük. T Bármely komplex (valós) négyzetes A mátrix el áll A = PQ alakban, ahol P pozitív szemidenit önadjungált (szimmetrikus) mátrix, Q pedig unitér (ortogonális). Ha A invertálható, akkor P pozitív denit, és a felbontás egyértelm. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 14 / 35

Szinguláris érték B A = UΣV H = UΣU H UV H = (UΣU H )(UV H ), ahonnan P = UΣU H, Q = UV H. P önadjungált, hisz (UΣU H ) H = UΣ H U H = UΣU H. A P pozitív szemidenit, hisz hasonló a pozitív szemidenit Σ mátrixhoz (ha A invertálható, akkor Σ pozitív denit) Q unitér (ortogonális), hisz két unitér (ortogonális) mátrix szorzata. A P egyértelm (nem csak akkor, ha pozitív denit), ugyanis AA H = PQQ H P H = PP H = P 2, azaz P = AA H, és pozitív szemidenit önadjungált mátrix négyzetgyöke egyértelm az önadjungált pozitív szemidenit mátrixok körében. Ha P pozitív denit, akkor invertálható, így Q = P 1 A is egyértelm. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 15 / 35

Szinguláris érték analógia a determinánson is: det P = r, det Q = e iϕ (hisz Q unitér), det A = r e iϕ. Fordított sorrend: azonos unitér (ortogonális) mátrixszal: A = UΣV H = UV H VΣV H = (UV H )(VΣV H ) = QˆP, Valós polárfelbontás geometriai jelentése: minden mátrixleképezés két olyan leképezés kompozíciója, amelyekb l az egyik forgatja vagy forgatva tükrözi a teret (Q), a másik pedig egy ortonormált bázis tengelyei mentén nyújtja/összenyomja a teret minden tengelyirányban egy-egy nemnegatív tényez vel. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 16 / 35

Szinguláris érték P Polárfelbontásait számítsuk ki 0 2 2 A = 2 3 2 4 2 0 B P = UΣU T, Q = UV T, ˆP = VΣV H 2 2 0 4 /9 8 /9 1/9 A = PQ = 2 3 2 4 /9 1/9 8 /9 0 2 4 7/9 4 /9 4 /9 4 /9 8 /9 1/9 4 2 0 = QˆP = 4 /9 1/9 8 /9 2 3 2. 7/9 4 /9 4 /9 0 2 2 2 2 0 0 0 1 0 0 1 2 2 0 A = 2 3 2 0 1 0 = 0 1 0 2 3 2. 0 2 4 1 0 0 1 0 0 0 2 4 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 17 / 35

Szinguláris érték Pszeudoinverz T SVD: A = U 1 Σ 1 V T 1, illetve A = UΣVT. Ekkor B U 1 teljes oszloprangú, Σ 1 V T 1 A + = V 1 Σ 1 1 UT 1 = VΣ + U T. teljes sorrangú, így ( ) A + 1 ) 1 = (Σ 1 V T 1 ) T Σ 1 V T 1 (Σ 1 V T 1 ) (U T T 1 U 1 U T 1 = V 1 Σ 1 Σ 2 1 UT 1 = V 1 Σ 1 1 UT 1. Ebb l VΣ + U T = [ V 1 V 2 ] [ Σ 1 1 O O O ] [ ] U T 1 U T 2 = V 1 Σ 1 1 UT 1. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 18 / 35

Norma 1 Szinguláris érték Az SVD meghatározása Szinguláris érték szerinti felbontás létezése Szinguláris felbontás geometriai interpretációja 2 Norma Euklideszi vektornorma és p-norma A norma általános fogalma Vektornormák ekvivalenciája 3 Mátrixnorma Vektornorma mátrixokon A mátrixnorma általános fogalma Az 1-, 2- és -norma mátrixokra 4 Alkalmazások Információtömörítés Mögöttes tartalom analízise Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 19 / 35

Norma Euklideszi vektornorma és p-norma D Az x vektor euklideszi normája vagy más néven abszolút értéke x 2 = n x 2 = x i T x, ha x R n, i=1 x 2 = n x i 2 = x H x, ha x C n. i=1 m Manhattan ( x + y ), képméretezés (max{ x, y }). D A p 1 valósra az x C n vektor p-normája x p = ( n i=1 x i p ) 1/p, míg ennek határértéke a -norma, azaz x = lim p x p. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 20 / 35

Norma Euklideszi vektornorma és p-norma m 1-norma = rácsnorma = Manhattan-norma maximum norma = -norma x = lim p x p = lim p ( n i=1 ) 1/p x i p = max x i. i B a legnagyobb abszolút érték koordináta x max ( x i / x max 1) 1 n x i /x max p n. i=1 Mindegyik kifejezést 1/p-edik hatványra emelve, majd x max -szal beszorozva kapjuk, hogy ( n x max x max i=1 x i x max p ) 1/p x max n 1/p, Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 21 / 35

Norma Euklideszi vektornorma és p-norma p = 1 p = 3 2 p = 2 p = 3 p = Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 22 / 35

Norma Euklideszi vektornorma és p-norma p = 1 p = 2 p = Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 23 / 35

Norma A norma általános fogalma Á Az el z normák alaptulajdonságai: x 0 x = 0 x = 0 ( a d(x, y) = x y távolságfüggvény szeparálja a pontokat, azaz két különböz pont távolsága sosem 0) cx = c x (pozitív homogenitás) x + y x + y (háromszögegyenl tlenség) D Az f : R n R, vagy f : C n R függvény norma, ha f (x) 0 minden x vektorra, és f (x) = 0 pontosan akkor áll fenn, ha x = 0, f (cx) = c f (x) minden x vektorra, f (x + y) f (x) + f (y). m x = x bármely. normára igaz, hisz x = 1 x = x. m háromszögegyenl tlenség másik alakja: z x z x Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 24 / 35

Norma A norma általános fogalma m A háromszögegyenl tlenség p-normánál: Minkowski-egyenl tlenség: x + y p x p + y p. (1) m A Hölder-egyenl tlenség a CBS-egyenl tlenség általánosítása: x H y x p y q, ahol 1 p + 1 q = 1. (2) m Ha x x egy norma, és A egy egy-egy értelm lineáris leképezés, akkor az x Ax leképezés is norma és a következ is x y x sup y 0 y m max i { x i } x 1 2 + + x n 2 x 1 + + x n azaz m Másrészt x x 2 x 1. x 1 n x 2, x 2 n x és x 1 n x. m Minden norma folytonos függvény. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 25 / 35

Norma Vektornormák ekvivalenciája D A. a és. b normák ekvivalensek, ha van olyan c és d pozitív valós szám, hogy. a c. b és. b d. a. m Az 1-, 2- és -normák ekvivalensek T A K n téren értelmezett bármely két norma ekvivalens (K = R vagy C). m Ez csak véges dimenziós terekben igaz, itt tehát a konvergenciakérdésekhez bármelyik norma jó. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 26 / 35

Mátrixnorma 1 Szinguláris érték Az SVD meghatározása Szinguláris érték szerinti felbontás létezése Szinguláris felbontás geometriai interpretációja 2 Norma Euklideszi vektornorma és p-norma A norma általános fogalma Vektornormák ekvivalenciája 3 Mátrixnorma Vektornorma mátrixokon A mátrixnorma általános fogalma Az 1-, 2- és -norma mátrixokra 4 Alkalmazások Információtömörítés Mögöttes tartalom analízise Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 27 / 35

Mátrixnorma Vektornorma mátrixokon D Az A C m n mátrix Frobenius-normája m n m n A F = a ij 2 = A i 2 = 2 A j 2. 2 i=1 j=1 T Frobenius-norma ekvivalens alakjai: A F = i=1 trace(a H A) = min(m,n) i=1 j=1 σ 2 i. B [A H A] jj = A j 2 2 nyom = sajátértékek összege Á Bármely x C n vektorra és A C m n mátrixra Ax 2 A F x 2. B CauchyBunyakovszkijSchwarz-egyenl tlenségb l: n n Ax 2 = 2 A i x 2 A i 2 2 x 2 = 2 A 2 F x 2. 2 i=1 i=1 Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 28 / 35

Mátrixnorma A mátrixnorma általános fogalma D. : K n R mátrixnorma, ha A 0, és A = 0 pontosan akkor áll fenn, ha A = O, ca = c A, A + B A + B, AC A C. D. egy tetsz leges vektornorma. Ekkor az A = max Ax x =1 egyenl séggel deniált függvényt a vektornorma által indukált mátrixnormának nevezzük. m Jelölés: A p = max x p =1 Ax p m Ha lineáris leképezésre értelmezzük, operátornormáról beszélünk. m A normák ekvivalenciájából bármely normában az egységgömb korlátos és zárt a x Ax függvénynek van maximuma és minimuma m a deníció ekvivalens alakjai Ax A = sup x =0 x = max Ax x =0 x. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 29 / 35

Mátrixnorma Az 1-, 2- és -norma mátrixokra T Legyen A C m n, ekkor A 1 = max j n a ij = legnagyobb abszolút oszlopösszeg, (3) i=1 m A = max a ij = legnagyobb abszolút sorösszeg, (4) i j=1 A 2 = A H = max max y H Ax = σ 1, (5) 2 x 2 =1 y 2 =1 Ha az A C n n invertálható, akkor A 1 2 = max x 2 =1 1 Ax 2 = ahol σ n az A legkisebb (pozitív) szinguláris értéke. 1 = 1, (6) min Ax 2 σ n x 2 =1 m Az 1-, a - és a 2-normára szokásos másik elnevezés: oszlopnorma, sornorma és spektrálnorma. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 30 / 35

Alkalmazások 1 Szinguláris érték Az SVD meghatározása Szinguláris érték szerinti felbontás létezése Szinguláris felbontás geometriai interpretációja 2 Norma Euklideszi vektornorma és p-norma A norma általános fogalma Vektornormák ekvivalenciája 3 Mátrixnorma Vektornorma mátrixokon A mátrixnorma általános fogalma Az 1-, 2- és -norma mátrixokra 4 Alkalmazások Információtömörítés Mögöttes tartalom analízise Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 31 / 35

Alkalmazások Információtömörítés T Kis rangú approximáció tétele EckartYoung-tétel A r-rangú, k-adik szinguláris értéke σ k, jobb és bal szinguláris vektorta v k, illetve u k. Legyen k A k = σ i u i v T i. Ekkor A k az A mátrix legjobb legföljebb k-rangú közelítése, azaz r min A B F = A A k F = σ 2, i r(b) k i=1 i=k+1 min A B 2 = A A k 2 = σ k+1. r(b) k Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 32 / 35

Alkalmazások Információtömörítés 1, 2, 3, 4, 8, 12, 40, 97, 194. Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 33 / 35

Alkalmazások Információtömörítés Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 34 / 35

Alkalmazások Mögöttes tartalom analízise A latent semantic indexing (LSI) vagy latent semantic analysis (LSA) Ö Az egy dokumentumban szerepl szavakat összekapcsolja a dokumentum tartalma, e kapcsolatokat a szavak mögött lév tartalmat az SVD kiemeli, mint lényeges információt. A sorai a szavakat, oszlopai a dokumentumokat reprezentálják. t ij az i-edik szó gyakorisága a j-edik dokumentumban és T i a teljes szöveggy jteményben ( ) t n ik log t ik T a ij = 1 + i T i log(1 + t ij ). log n k=1 az els tényez egy csak az i-edik szónak az egész gy jteményhez való kapcsolatától függ globális súly, a második csak a lokális érték függvénye. A = UΣV T és közelítése A k = U k Σ k V T k U k, illetve V k oszlopainak vektorterében a szavak, illetve dokumentumok kapcsolatát a hozzájuk tartozó vektorok helyzete jellemzi Wettl Ferenc Szinguláris értékek 2016. április 12. 35 / 35