矩阵的对角化 - 省略小的矩阵元素

计算科学 本征系统 误差估计
2021-12-20 09:33:30

我想知道是否有一些定理允许我对通过在对角化之前从矩阵中省略小矩阵元素而引入的误差设置上限。

假设我们有一个大矩阵,其矩阵元素范围从如果在对角化矩阵之前将所有小于的矩阵元素设置为,那么特征值和特征向量中的误差会有多大?1101510100

这个实现是否依赖?

2个回答

它不依赖于实现,因为这是对矩阵执行的数学运算。但是,它非常依赖于矩阵

如果您的矩阵是可对角化的并且,那么将某些元素归零会添加一个小的扰动矩阵,因此新的特征值将是(假设矩阵没有太大变化) 中 的差异具有范数以 其中取决于你丢弃的元素的大小,而 是特征向量矩阵的条件数。A=XDX1EX

X1(A+E)X=D+X1EX.
D
Eκ(X),
Eκ(X)

如果您的矩阵正常的(即 ),那么是单一的并且,所以这很好。AAAt=AtAXκ(X)=1

如果您的矩阵不正常,则需要其伪谱的概念,定义为集合 一个更容易计算的等效定义是 Trefethen 在 Pseudospectra of Matrices 中对伪谱及其属性进行了很好的调查 (它包括一个很好的矩阵库,其伪谱比它们的谱大得多:人们可能认为伪谱应该是小

Λϵ(A)={zz is an eigenvalue of A+E with Eϵ}.
Λϵ(A)={z(zIA)1ϵ1}.
ϵ围绕特征值的 - 大小的磁盘,但这根本不正确)。一般来说,你不能仅仅假设伪谱表现良好并且扰动可以忽略不计。但是,您可以计算并估计产生的误差;您也可以直接计算伪谱。κ(X)

从某种意义上说,删除小的矩阵元素很好:要么它们无关紧要,新结果与原始结果一样准确,要么它们确实重要,并且您的原始结果与新结果一样不准确。

有一个研究领域称为特征值敏感性分析特征值扰动分析,它允许您估计小矩阵扰动对特征值和特征向量的影响。用于此的基本技术是对特征值矩阵方程

AX=XΛ.

对于原矩阵的特征值都不同的情况,下面的文档有非常清晰的推导和结果:

迈克·贾尔斯。“用于正向和反向模式算法微分的矩阵导数结果的扩展集合”。https://people.maths.ox.ac.uk/gilesm/files/NA-08-01.pdf

当特征值不明显时,必须更加小心。请参阅以下演示文稿论文

对于具有不同特征值的对称矩阵的特殊情况,受到小扰动的影响,结果很简单,我在这里重现它们。特征值矩阵的导数为 特征向量矩阵的导数为 其中系数矩阵定义为, A=UΛUTAA+dA

dΛ=diag(UTdAU),
dU=UC(dA),
C
C={uiTdAujλjλi,i=j0,i=j

Overton 和 Womersley 的以下论文对对称情况(包括二阶导数)进行了很好的敏感性分析。

奥弗顿、迈克尔 L. 和罗伯特 S. 沃默斯利。“用于优化对称矩阵特征值的二阶导数。” SIAM 矩阵分析和应用杂志 16.3 (1995): 697-718。http://ftp.cs.nyu.edu/cs/faculty/overton/papers/pdffiles/eighess.pdf