東京大学 新領域創成科学研究科 メディカル情報生命専攻 2017年8月実施 問題8
Author
zephyr
Description
Let A be an n×m real matrix with positive rank r. Such a matrix has a singular value decomposition A=UΣVT, where U and V are n×r, m×r real matrices, respectively, and satisfy UTU=Ir, VTV=Ir (Id: d×d unit matrix, MT: transpose of matrix M). Σ is an r×r real diagonal matrix whose diagonal elements Σkk=σk (k=1,…,r) satisfy σ1≥⋯≥σr>0.
(1) Describe all the positive eigenvalues and associated normalized eigenvectors of matrix ATA.
(2) Let TA:Rm→Rn be a linear mapping defined by TA(x)=Ax. Describe the conditions on n,m,r such that TA is surjective. Also, describe the conditions on n,m,r such that TA is injective.
(3) The pseudoinverse of A is defined by A+=VΣ−1UT. Let B=(Im−A+A) and define linear mapping TB:Rm→Rm by TB(x)=Bx. Show that image Im(TB)={Bx∣x∈Rm} is linearly isomorphic to kernel Ker(TA)={x∈Rm∣Ax=0d} (0d: d dimensional zero vector).
(4) Show that x=x1+x2 (x1=Bx, x2=(x−x1)) is an orthogonal decomposition.
(5) For a given b∈Rn, let x0=A+b∈Rm. Show that x=x0 minimizes (Ax−b)T(Ax−b).
(Hint: Ax−b=A(x−x0)+(Ax0−b))
设 A 为一个 n×m 的实矩阵,且正秩为 r。这样的矩阵有一个奇异值分解 A=UΣVT,其中 U 和 V 分别是 n×r、m×r 的实矩阵,并且满足 UTU=Ir,VTV=Ir(Id:d×d 单位矩阵,MT:矩阵 M 的转置)。Σ 是一个 r×r 的实对角矩阵,其对角元素 Σkk=σk(k=1,…,r)满足 σ1≥⋯≥σr>0。
(1) 描述矩阵 ATA 的所有正特征值和相关的归一化特征向量。
(2) 令 TA:Rm→Rn 为由 TA(x)=Ax 定义的线性映射。描述 n,m,r 的条件,使得 TA 是满射。同时,描述 n,m,r 的条件,使得 TA 是单射。
(3) A 的伪逆定义为 A+=VΣ−1UT。令 B=(Im−A+A) 并定义线性映射 TB:Rm→Rm 由 TB(x)=Bx。证明 Im(TB)={Bx∣x∈Rm} 在线性上同构于 Ker(TA)={x∈Rm∣Ax=0d}(0d:d 维零向量)。
(4) 证明 x=x1+x2(x1=Bx,x2=(x−x1))是一个正交分解。
(5) 对于给定的 b∈Rn,令 x0=A+b∈Rm。证明 x=x0 最小化 (Ax−b)T(Ax−b)。
(提示:Ax−b=A(x−x0)+(Ax0−b))
题目描述
设 A 是秩为 r>0 的 n×m 实矩阵,其薄奇异值分解为
A=UΣVT,
其中 U∈Rn×r、V∈Rm×r,满足
UTU=Ir,VTV=Ir,
Σ 是 r×r 对角矩阵,且
Σkk=σk,σ1≥⋯≥σr>0.
回答下列问题:
- 写出 ATA 的全部正特征值及对应的单位特征向量。
- 对线性映射
TA:Rm→Rn,TA(x)=Ax,
分别给出它为满射、为单射时 n,m,r 应满足的条件。
- 定义 Moore–Penrose 伪逆
A+=VΣ−1UT
以及
B=Im−A+A,TB(x)=Bx.
证明 Im(TB) 与 ker(TA) 线性同构。
- 对
x1=Bx,x2=x−x1,
证明 x=x1+x2 是正交分解。
- 给定 b∈Rn,令 x0=A+b,证明 x=x0 最小化
(Ax−b)T(Ax−b).
可使用提示
Ax−b=A(x−x0)+(Ax0−b).
- 奇异值分解与谱关系:由薄 SVD 识别 ATA 的正特征值 σk2 及右奇异向量。
- 线性映射的核与像:以秩 r 和定义域、值域维数判定单射与满射,并刻画核空间。
- Moore–Penrose 伪逆:证明 I−A+A 投影到 kerA,并给出核空间与行空间的正交分解。
- 最小二乘法:利用残差在 ImA 上的正交性证明伪逆解使残差平方范数最小。
Kai
(1)
Given the singular value decomposition (SVD) of A as A=UΣVT, we can express ATA as follows:
ATA=(UΣVT)T(UΣVT)=VΣTUTUΣVT=VΣ2VT
The matrix Σ2 is diagonal with the diagonal elements σk2 (k=1,…,r). Thus, the positive eigenvalues of ATA are exactly the σk2, and the associated normalized eigenvectors are the columns of V.
(2)
Surjective (onto):
The mapping TA:Rm→Rn is surjective if the range of A spans Rn, i.e., A has full row rank. This occurs when r=n≤m.
Injective (one-to-one):
The mapping TA is injective if the kernel of A contains only the zero vector, i.e., A has full column rank. This occurs when r=m≤n.
(3)
The pseudoinverse A+ is defined as A+=VΣ−1UT. Consider B=Im−A+A.
We need to show that Im(TB) is isomorphic to Ker(TA). Observe the following:
BA=(Im−A+A)A=A−A+AA=A−A=0
Thus, Im(B)⊆Ker(A).
Now, consider x∈Ker(A). Then Ax=0, and
Bx=(Im−A+A)x=x
Thus, x∈Im(B). Therefore, Im(B)=Ker(A).
(4)
Given x=x1+x2 where x1=Bx and x2=x−x1:
x2=x−Bx=x−(Im−A+A)x=A+Ax
To show orthogonality:
x1Tx2=(Bx)T(A+Ax)=xTBTA+Ax
Since B is symmetric (B=Im−A+A):
xT(Im−A+A)A+Ax=xT(A+A−A+A)x=0
Thus, x1 and x2 are orthogonal.
(5)
Let x0=A+b. We need to show that x=x0 minimizes the expression.
Consider the error:
Ax−b=A(x−x0)+(Ax0−b)
Since x0=A+b, we have Ax0=b, thus:
Ax−b=A(x−x0)
The norm to be minimized is:
(Ax−b)T(Ax−b)=(A(x−x0))T(A(x−x0))
This is minimized when x=x0 since Ax0=b and A(x−x0)=0.
Knowledge
奇异值分解 线性映射 广义逆矩阵 正交分解 线性代数
重点词汇
- singular value decomposition (SVD) 奇异值分解
- pseudoinverse 广义逆
- surjective 满射
- injective 单射
- orthogonal decomposition 正交分解
参考资料
- "Linear Algebra and Its Applications" by Gilbert Strang, Chapter 7: The Singular Value Decomposition (SVD)
- "Matrix Computations" by Gene H. Golub and Charles F. Van Loan, Chapter 2: Matrix Analysis