[DL Note] 线性代数：特征分解

Author: nex3z 2019-08-03

1. 特征向量

　　$\boldsymbol A$ 为 $n \times n$ 矩阵，$\boldsymbol x$ 为非零向量，若存在数 $\lambda$ 使 $\boldsymbol A \boldsymbol x = \lambda \boldsymbol x$ 有非平凡解 $\boldsymbol x$，则称 $\lambda$ 为 $\boldsymbol A$ 的特征值（eigenvalue），$\boldsymbol x$ 称为对应于 $\lambda$ 的特征向量（eigenvector）。

　　$\lambda$ 是 $\boldsymbol A$ 的特征值当且仅当方程

$$\begin{equation} (\boldsymbol A – \lambda I) \boldsymbol x = \boldsymbol 0 \tag{1} \end{equation}$$

有非平凡解。方程 $(1)$ 的所有解的集合就是矩阵 $\boldsymbol A – \lambda I$ 的零空间，因此该集合是 $\mathbb{R}^n$ 的子空间，称为 $\boldsymbol A$ 的对应于 $\lambda$ 的特征空间。特征空间由零向量和所有对应于 $\lambda$ 的特征向量组成。

　　三角矩阵（包含上三角和下三角矩阵）的主对角线的元素是其特征值。

　　如果一个矩阵 $\boldsymbol A$ 有零特征值，则方程 $\boldsymbol A \boldsymbol x = 0 \boldsymbol x$ 有非平凡解，该方程等价于 $\boldsymbol A \boldsymbol x = \boldsymbol 0$，而 $\boldsymbol A \boldsymbol x = \boldsymbol 0$ 有非平凡解的充要条件是 $\boldsymbol A$ 是不可逆的。因此，$\boldsymbol A$ 有零特征值的充要条件是 $\boldsymbol A$ 不可逆。$0$ 是 $\boldsymbol A$ 的特征值当且仅当 $\boldsymbol A$ 不可逆。

　　$\lambda_1, \cdots, \lambda_r$ 是 $n \times n$ 矩阵 $\boldsymbol A$ 相异的特征值，$\boldsymbol v_1, \cdots, \boldsymbol v_r$ 是与 $\lambda_1, \cdots, \lambda_r$ 对应的特征向量，那么向量集合 $\{\boldsymbol v_1, \cdots, \boldsymbol v_r\}$ 线性无关。

　　如果 $\boldsymbol v$ 是 $\boldsymbol A$ 的特征向量，那么任何缩放后的向量 $s \boldsymbol v$（$s \in \mathbb{R}$ 且 $s \neq 0$）也是 $\boldsymbol A$ 的特征向量，$s \boldsymbol v$ 与 $\boldsymbol v$ 有相同的特征值，因此通常只考虑单位特征向量。

2. 谱定理

　　矩阵 $\boldsymbol A$ 的特征值的集合有时称为 $\boldsymbol A$ 的谱。一个对称的 $n \times n$ 矩阵 $\boldsymbol A$ 具有下述性质：

1. $A$ 有 $n$ 个特征值，包含重复的特征值。
2. 对每一个特征值 $\lambda$，对应的特征空间的维数等于 $\lambda$ 作为特征方程的根的重数。
3. 特征空间相互正交，这种正交性是在特征向量对应于不同特征值的意义下成立的。
4. $A$ 可正交对角化。

3. 特征分解

　　假设 $\boldsymbol A = \boldsymbol P\boldsymbol D\boldsymbol P^{-1}$，其中 $\boldsymbol P$ 的列是 $\boldsymbol A$ 的单位正交特征向量 $\boldsymbol u_1, \cdots, \boldsymbol u_n$，是一个正交矩阵；相应的特征值 $\lambda_1, \cdots, \lambda_n$ 属于对角矩阵 $\boldsymbol D$，由 $\boldsymbol P^{-1} = \boldsymbol P^\mathsf{T}$，有

$$\begin{align} \boldsymbol A &= \boldsymbol P\boldsymbol D\boldsymbol P^\mathsf{T} = \begin{bmatrix} \boldsymbol u_1 & \cdots & \boldsymbol u_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \lambda_1 & & 0 \\ & \ddots & \\ 0 & & \lambda_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \boldsymbol u_1^\mathsf{T} \\ \vdots \\ \boldsymbol u_n^\mathsf{T} \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} \lambda_1\boldsymbol u_1 & \cdots & \lambda_n\boldsymbol u_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \boldsymbol u_1^\mathsf{T} \\ \vdots \\ \boldsymbol u_n^\mathsf{T} \end{bmatrix} \tag{2} \end{align}$$

利用乘积的行列式展开式，可以得到

$$\begin{equation} \boldsymbol A = \lambda_1 \boldsymbol u_1 \boldsymbol u_1^\mathsf{T} + \lambda_2 \boldsymbol u_2 \boldsymbol u_2^\mathsf{T} +\cdots + \lambda_n \boldsymbol u_n \boldsymbol u_n^\mathsf{T} \tag{3} \end{equation}$$

由于它将 $\boldsymbol A$ 分解为由 $\boldsymbol A$ 的谱（特征值）确定的小块，因此这个 $A$ 的表示就称为 $A$ 的谱分解（spectral decomposition），也称为特征分解（eigendecomposition）。式 $(3)$ 中的每一项都是一个秩为 $1$ 的 $n \times n$ 矩阵。例如，$\lambda_1 \boldsymbol u_1 \boldsymbol u_1^\mathsf{T}$ 的每一列都是 $\boldsymbol u_1$ 的倍数。

　　并不是每个矩阵都能有特征分解；对于每个实对称矩阵，都可以分解为式 $(2)$ 的形式，但分解可能不唯一。特征分解唯一当且仅当所有的特征值都是唯一的。如果两个或多个特征向量有相同的特征值，则在由这些特征向量生成的子空间中，任意一组正交向量都是该特征值对应的特征向量，从而构成一种正交分解。

　　正交分解可以提供很多关于矩阵的信息。矩阵是奇异的当且仅当含有零特征值。

4. 二次型

　　$\mathbb{R}^n$ 上的一个二次型是一个定义在 $\mathbb{R}^n$ 上的函数，它在向量 $\boldsymbol x$ 处的值可由表达式 $Q(\boldsymbol x) = \boldsymbol x^\mathsf{T} A \boldsymbol x$ 计算，其中 $A$ 是一个 $n \times n$ 矩阵。矩阵 $A$ 称为关于二次型的矩阵。

　　实矩阵的特征分解可以用于优化二次方程 $Q(\boldsymbol x) = \boldsymbol x^\mathsf{T} A \boldsymbol x$，其中限制 $\Vert \boldsymbol x \Vert_2 = 1$。当 $\boldsymbol x$ 等于 $\boldsymbol A$ 的某个特征向量时，$f(\boldsymbol x)$ 为对应的特征值。在限制条件下，函数 $Qf$ 的最大值是最大特征值，最小值是最小特征值。

　　定义一个二次型 $Q$ 是：

• 正定（positive definite）的，如果对所有 $\boldsymbol x \neq 0$，有 $Q(\boldsymbol x) > 0$。
• 负定（negative definite）的，如果对所有 $\boldsymbol x \neq 0$，有 $Q(\boldsymbol x) < 0$。
• 不定的，如果 $Q(\boldsymbol x)$ 既有正值又有负值。

此外，对所有 $\boldsymbol x$，如果 $Q(\boldsymbol x) \geq 0$，则称 $Q$ 是半正定（positive semidefinite）的；如果 $Q(\boldsymbol x) \leq 0$，则称 $Q$ 是半负定（negative semidefinite）的。

　　设 $A$ 是 $n \times n$ 对称矩阵，那么一个二次型 $\boldsymbol x^\mathsf{T} A \boldsymbol x$ 是：

• 正定的，当且仅当 $A$ 的所有特征值是正数。
• 负定的，当且仅当 $A$ 的所有特征值是负数。
• 不定的，当且仅当 $A$ 既有正特征值，又有负特征值。

　　利用二次型的分类，相应的得到矩阵的形式分类。所有特征值都是正数的矩阵称为正定矩阵，所有特征值都是负数的矩阵称为负定矩阵，所有特征值都是非负的矩阵称为半正定矩阵，所有特征值都是非正的矩阵称为半负定矩阵。

　　半正定矩阵保证对于 $\forall \boldsymbol x$，有 $\boldsymbol x^\mathsf{T} \boldsymbol A \boldsymbol x \geq 0$。正定矩阵保证当 $\boldsymbol x^\mathsf{T} \boldsymbol A \boldsymbol x = 0$ 时，有 $\boldsymbol x = 0$。