范数

  • 向量范数
    • 定义
      • 向量 x\boldsymbol x 的范数记作 x||\boldsymbol x||,满足
        • x0||\boldsymbol x||\ge 0x=0||\boldsymbol x|| = 0 当且仅当 x=0\boldsymbol x=\boldsymbol 0
        • ax=ax||a\boldsymbol x||=a||\boldsymbol x||
        • x+yx+y||\boldsymbol x + \boldsymbol y|| \le ||\boldsymbol x|| + ||\boldsymbol y||
    • 常用范数
      • 11-范数:x1=i=1nxi||\boldsymbol x||_1 = \displaystyle\sum_{i = 1}^n |x_i|
      • 22-范数:x2=i=2nxi2||\boldsymbol x||_2 = \displaystyle\sqrt{\sum_{i = 2}^n |x_i|^2}
      • \infty-范数:x=maxi=1n{xi}||\boldsymbol x||_{\infty} = \displaystyle\max_{i = 1}^n \{x_i\}
  • 矩阵范数
    • 定义
      • 矩阵 AA 的范数记作 A||\boldsymbol A||,满足
        • A0||A||\ge 0A=0||A|| = 0 当且仅当 A=0A=0
        • aA=aA||aA||=a||A||
        • A+BA+B||A + B|| \le ||A|| + ||B||
        • ABAB||AB|| \le ||A||\cdot||B||
    • 相容
      • 已知 RnR^n 上的向量范数 xα||\boldsymbol x||_\alpha Rn×nR^{n\times n} 上的矩阵范数 Aβ||A||_\beta
      • 如果 AxαAβxα||A\boldsymbol x||_\alpha \le ||A||_\beta||\boldsymbol x||_\alpha,则 Aβ||A||_\betaxα||\boldsymbol x||_\alpha 相容。
      • 如果在同一个场景下同时使用向量范数和矩阵范数,则应当使用相容的范数。
    • 算子范数
      • 已知向量范数 x||\boldsymbol x||,定义 A=maxx=1Ax||A|| = \displaystyle\max_{||\boldsymbol x|| = 1} ||A\boldsymbol x||
      • 根据三种向量范数,得到对应的三种矩阵范数:
        • 11-范数 / 列范数:A1=maxj=1ni=1naij||A||_1 = \displaystyle\max_{j = 1}^n \sum_{i = 1}^n |a_{ij}|
        • 22-范数 / 谱范数:A2=λmax(ATA)=ρ(ATA)||A||_2 = \displaystyle\sqrt{|\lambda|_{\max}(A^{\mathrm T}A)} = \sqrt{\rho(A^{\mathrm T}A)}
        • \infty-范数 / 行范数:A=maxi=1nj=1naij||A||_\infty = \displaystyle\max_{i = 1}^n \sum_{j = 1}^n |a_{ij}|
      • 向量范数从属的矩阵范数与向量范数相容。
    • F 范数
      • AF=i=1nj=1naij2||A||_F = \sqrt{\sum\limits_{i = 1}^n \sum\limits_{j = 1}^n a_{ij}^2}
      • 其与向量 2-范数相容。