Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Chislennye_metody.doc
Скачиваний:
27
Добавлен:
09.05.2015
Размер:
1 Mб
Скачать

§6. Частная спектральная задача

Частная спектральная задача – задача нахождения некоторых собственных чисел матрицы и соответствующих собственных векторов.

1.Вариационный метод

Пусть А – симметричная матрица. Найдем её максимальное собственное число. Т.к. из ранее доказанного , то задача сводится к нахождению стационарных точек функционала.

2.Степенной метод

Для матрицы А предположим, что:

а) её собственные вектора φ1… φnобразуют базис вRn.

б) её собственные числа удовлетворяют неравенствам | λ1 |>| λk|,k=2..n.

Тогда всякий вектор х из Rnможет быть представим в виде:.

Построим последовательность векторов:

x(1)=Ax,x(2)=Ax(1)…x(m)=Ax(m-1)=Amx.

Значит, . Преобразуем правую часть равенства:

приm>>1,

т.к. тогда .

Получим, что:

,

а - соответствующий собственный вектор

(т.к. он определяется с точностью до скалярного множителя).

Знак λ1найдем из следующего равенства:

- знак находится по первой компоненте.

Точность метода: .

§7. Метод максимизации столбцов

Пусть A=(akp) – вещственная, квадратная матрица порядкаn.

Обозначим как ap–pый столбец матрицы.

Заметим, что ; .

Рассмотрим матрицу простого поворота Up:

u11=upp=c=cosα, -up1 =u1p= -s= -sinα, остальные диагональные элементы равны 1, а недиагональные – нулю. Из ранее доказанного матрицаUpосуществляет поворот на угол α против часовой стрелки.

1.Максимизация первого столбца

Рассмотрим матрицу B=AUp=(bij).

В ней: b1=ca1+sap,bp= -sa1+cap. Остальные столбцы совпадают со столбцами А.

Свойство 1

Доказательство

Действительно:

.

Отсюда .

Что и требовалось доказать.

Выберем угол α в матрице Upтак, чтобы |b1| был максимален.

Рассмотрим функцию

Тогда .

Обозначим α=αp:f’(α)=0. Будем выбирать αpпо правилу:

а) если, то

б) иначе αpнаходится из равенства

в)заметим, что αp=0 тогда и только тогда, когда.

Свойство 2 Если |a1|≥|ap|, то |b1|≥|a1|≥|ap|≥|bp| и |b1|>|a1| при.

Доказательство

Действительно:

1)Пусть. Тогдаи.

Следовательно, из определения f(α): .

Отсюда:

и | b1|>|a1| при.

2)Пусть.

Рассмотрим функцию .

Т.к. ,,a, то

f’’(αp)≤0, т.е.αp– локальный максимум () и общий максимум функции на.

Следовательно, .

Что и требовалось доказать.

Свойство 3Если |a1|≥|ap|, то, т.е. новые столбцы ортогональны.

Доказательство

Действительно:

Что и требовалось доказать.

2.Алгоритм сингулярного разложения

Пусть дана матрица A=(aij). Рассмотрим матрицуA1=AU1, гдеU1– ортогональная матрица перестановки столбцов: первый столбец матрицы А1максимален.

Рассмотрим последовательность матриц: Ak+1=AkUp(k),k=1,2…,

где p(k) – номер столбца (= 2,3..n; 2,3..);

Up(k)– матрица простейшего поворота:

u11 = up(k)p(k)= c =cosα, -up(k)1 = u1p(k)= -s = - sinα,

остальные диагональные элементы равны 1,

а недиагональные – нулю.

Т.е. у всех Akпервый столбец максимальный, у всехAk+1первый столбец ортогоналенp(k+1). При этом сумма квадратов сохраняется.

Обозначим . Действительно, тогда.

Отсюда следует лемма:

Лемма 1Последовательность нормпервых столбцов матриц сходится.

Доказательство

По Свойству 2 предыдущего пункта последовательность не убывает.

А из сохранения суммы квадратов она ограничена, а значит сходится.

Замечание Отсюда не следует сходимость векторов.

Лемма 2 Последовательность матриц {Ak} сходится поэлементно приk→∞ (без доказательства).

Т.е. . Эта матрица обладает следующими свойствами:

1)первый столбец наибольший по модулю

2)первый столбец ортогонален всем остальным.

Действительно, предположим противное . Умножим наUp1, получим требуемое.

Таким образом, получен алгоритм сингулярного разложения.

Пусть матрица А nого порядка. Построим последовательностьAk→A.

1.Обозначим какв процессе максимализации первого столбца. Т.о. первый столбец макимален и ортогонален всем остальлным.

2.Максимизируем второй столбец матрицы с помощью последующих, не изменяя первый. Полученная последовательность матриц сходится к некоторой матрице.

3.И т.д.

n-1.Максимизируем (n-1)ый столбец у матрицы. Получим матрицус монотонными нормами и взаимоортогональными столбцами.

Запишем полученную матрицу в виде: , где ортогональная матрицаVесть произведение ортогональных матриц.

Обозначим нормы столбцов матрицы какSk.

Получим , гдеW– ортогональная матрица.

Таким образом, AV=WS, т.е.A=WSVT–SVD-разложение.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]