Глава 5

Нормы, скалярные произведения и ортогональность

[208/100%]
Показать
LaTeX
§
Задача 5.1.1

Найдите 1-, 2- и ∞\infty-нормы для x=(21−4−2)x = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -4 \\ -2 \end{pmatrix} и x=(1+i1−i14i)x = \begin{pmatrix} 1+i \\ 1-i \\ 1 \\ 4i \end{pmatrix}.

?
(a)
(b)
Задача 5.1.2

Рассмотрим евклидову норму с u=(21−4−2)u = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -4 \\ -2 \end{pmatrix} и v=(1−11−1)v = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}.

?
(a)

Определите расстояние между uu и vv.

(b)

Проверьте, что неравенство треугольника выполняется для uu и vv.

(c)

Проверьте, что неравенство КБШ выполняется для uu и vv.

Задача 5.1.3

Покажите, что (α1+α2+⋯+αn)2≤n(α12+α22+⋯+αn2)\left(\alpha_{1} + \alpha_{2} + \cdots + \alpha_{n}\right)^{2} \leq n \left(\alpha_{1}^{2} + \alpha_{2}^{2} + \cdots + \alpha_{n}^{2}\right) для αi∈R\alpha_{i} \in \mathbb {R}.

?
Задача 5.1.4
?
(a)

Используя евклидову норму, опишите замкнутый шар в Rn\mathbb {R}^{n} с центром в начале координат и единичным радиусом.

(b)

Опишите замкнутый шар с центром в точке c=(ξ1  ξ2  ⋯  ξn)c = \left(\xi_{1} \; \xi_{2} \; \cdots \; \xi_{n}\right) радиуса ρ\rho.

Задача 5.1.5

Если x,y∈Rnx, y \in \mathbb {R}^{n} таковы, что ∥x−y∥2=∥x+y∥2\left\| x-y\right\|_{2} = \left\| x+y\right\|_{2}, чему равно xTyx^{T}y?

?
Задача 5.1.6

Объясните, почему ∥x−y∥=∥y−x∥\left\| x-y\right\| = \left\| y-x\right\| верно для всех норм.

?
Задача 5.1.7

Для произвольной векторной нормы на Cn\mathbb {C}^{n} докажите, что ∥v∥\left\| v\right\| непрерывно зависит от компонент vv в том смысле, что для каждого ε>0\varepsilon > 0 найдётся такое δ>0\delta > 0, что ∣∥x∥−∥y∥∣<ε\left|\left\| x\right\| - \left\| y\right\| \right| < \varepsilon, как только ∣xi−yi∣<δ\left|x_{i} - y_{i}\right| < \delta для каждого ii.

?
Задача 5.1.8
?
(a)

Для x∈Cn×1x \in \mathbb {C}^{n \times 1} объясните, почему ∥x∥1≥∥x∥2≥∥x∥∞\left\| x\right\|_{1} \geq \left\| x\right\|_{2} \geq \left\| x\right\|_{\infty }.

(b)

Для x∈Cn×1x \in \mathbb {C}^{n \times 1} покажите, что ∥x∥i≤α∥x∥j\left\| x\right\|_{i} \leq \alpha \left\| x\right\|_{j}, где α\alpha — это (i,j)(i,j)-элемент следующей матрицы. (См. упражнение 5.12.3 для аналогичного утверждения относительно матричных норм.)

([ccc]12∞1∗nn2∗∗n∞∗∗∗) \begin{pmatrix} [ccc] & 1 & 2 & \infty \\ 1 & * & \sqrt{n} & n \\ 2 & * & * & \sqrt{n} \\ \infty & * & * & * \end{pmatrix}
Задача 5.1.9

Для x,y∈Cnx, y \in \mathbb {C}^{n}, x≠0x \neq 0, объясните, почему равенство в неравенстве КБШ имеет место тогда и только тогда, когда y=αxy = \alpha x, где α=x∗y/x∗x\alpha = x^{*}y / x^{*}x.

?
Примечание.
?

Формула (5.1.4) из доказательства неравенства КБШ утверждает, что при α=x∗y/x∗x\alpha = x^{*}y/x^{*}x

0≤∥αx−y∥2=∥y∥2∥x∥2−(x∗y)(y∗x)∥x∥2. 0 \leq \left\| \alpha x - y\right\| _{2} = \left\| y\right\| _{2}\left\| x\right\| _{2} - \frac{(x^{*}y)(y^{*}x)}{\left\| x\right\| _{2}}.
Задача 5.1.10

Для ненулевых векторов x,y∈Cnx, y \in \mathbb {C}^{n} с евклидовой нормой докажите, что равенство в неравенстве треугольника имеет место тогда и только тогда, когда y=αxy = \alpha x, где α\alpha вещественно и положительно.

?
Задача 5.1.11

Используя неравенство Гёльдера

∣x∗y∣≤∥x∥p∥y∥q \left|x^{*}y\right| \leq \left\| x\right\| _{p}\left\| y\right\| _{q}

(где p>1p>1, q>1q>1, 1/p+1/q=11/p+1/q=1), докажите, что если компоненты x∈Rn×1x \in \mathbb {R}^{n \times 1} в сумме дают нуль (т.е. xTe=0x^{T}e = 0 для eT=(1,1,…,1)e^{T} = (1,1,\ldots ,1)), то

∣xTy∣≤∥x∥1(ymax⁡−ymin⁡2) \left|x^{T}y\right| \leq \left\| x\right\| _{1} \left(\frac{y_{\max }-y_{\min }}{2}\right)

для всех y∈Rn×1y \in \mathbb {R}^{n \times 1}.

?
Примечание.
?

Для векторов xx с "нулевой суммой" эта оценка не хуже, а обычно и точнее, чем само неравенство Гёльдера, поскольку (ymax⁡−ymin⁡)/2≤max⁡i∣yi∣=∥y∥∞(y_{\max }-y_{\min })/2 \leq \max_{i} \left|y_{i}\right| = \left\| y\right\|_{\infty }.

Задача 5.1.12

Классическая форма неравенства Гёльдера утверждает, что если p>1p>1 и q>1q>1 — вещественные числа, такие что 1/p+1/q=11/p+1/q=1, то

∑i=1n∣xiyi∣≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p(∑i=1n∣yi∣q)1/q. \sum _{i=1}^{n} \left|x_{i}y_{i}\right| \leq \left(\sum _{i=1}^{n} \left|x_{i}\right|^{p}\right)^{1/p} \left(\sum _{i=1}^{n} \left|y_{i}\right|^{q}\right)^{1/q}.

Выведите это неравенство, выполнив следующие шаги:

?
(a)

Рассматривая функцию f(t)=(1−λ)+λt−tλf(t) = (1-\lambda ) + \lambda t - t^{\lambda } при 0<λ<10 < \lambda < 1, установите неравенство

αλβ1−λ≤λα+(1−λ)β \alpha ^{\lambda }\beta ^{1-\lambda } \leq \lambda \alpha + (1-\lambda )\beta

для неотрицательных вещественных чисел α\alpha и β\beta.

(b)

Пусть x^=x/∥x∥p\hat{x} = x/\left\| x\right\|_{p} и y^=y/∥y∥q\hat{y} = y/\left\| y\right\|_{q}; применяя неравенство из пункта (а), получите

∑i=1n∣x^iy^i∣≤1p∑i=1n∣x^i∣p+1q∑i=1n∣y^i∣q=1. \sum _{i=1}^{n} \left|\hat{x}_{i}\hat{y}_{i}\right| \leq \frac{1}{p}\sum _{i=1}^{n} \left|\hat{x}_{i}\right|^{p} + \frac{1}{q}\sum _{i=1}^{n} \left|\hat{y}_{i}\right|^{q} = 1.
(c)

Выведите классическую форму неравенства Гёльдера, а затем объясните, почему из этого следует, что ∣x∗y∣≤∥x∥p∥y∥q\left|x^{*}y\right| \leq \left\| x\right\|_{p}\left\| y\right\|_{q}.

Задача 5.1.13

Неравенство треугольника ∥x+y∥p≤∥x∥p+∥y∥p\left\| x+y\right\|_{p} \leq \left\| x\right\|_{p}+\left\| y\right\|_{p} для общей pp-нормы на самом деле является классическим неравенством Минковского, которое утверждает, что при p≥1p \geq 1

(∑i=1n∣xi+yi∣p)1/p≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p+(∑i=1n∣yi∣p)1/p. \left(\sum _{i=1}^{n} \left|x_{i}+y_{i}\right|^{p}\right)^{1/p} \leq \left(\sum _{i=1}^{n} \left|x_{i}\right|^{p}\right)^{1/p} + \left(\sum _{i=1}^{n} \left|y_{i}\right|^{p}\right)^{1/p}.

Выведите неравенство Минковского.

?
§
Задача 5.2.1

Вычислите норму Фробениуса для каждой из следующих матриц.

A=(1−2−12),B=(010001100),C=(4−24−21−24−24). A = \begin{pmatrix} 1 & -2 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}, \quad C = \begin{pmatrix} 4 & -2 & 4 \\ -2 & 1 & -2 \\ 4 & -2 & 4 \end{pmatrix}.
?
Задача 5.2.2

Вычислите индуцированные 1-, 2- и ∞\infty-матричные нормы для каждой из трёх матриц, заданных в упражнении 5.2.1: A=(1−2−12)A = \begin{pmatrix} 1 & -2 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}, B=(010001100)B = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}, C=(4−24−21−24−24)C = \begin{pmatrix} 4 & -2 & 4 \\ -2 & 1 & -2 \\ 4 & -2 & 4 \end{pmatrix}.

?
(a)
(b)
(c)
Задача 5.2.3
?
(a)

Объясните, почему ∥I∥=1\left\| I\right\| = 1 для любой индуцированной матричной нормы ∥A∥=max⁡∥x∥=1∥Ax∥\left\| A\right\| = \max_{\left\| x\right\| =1} \left\| Ax\right\|.

(b)

Чему равно ∥In×n∥F\left\| I_{n \times n}\right\|_{F}?

Задача 5.2.4

Объясните, почему ∥A∥F=∥A∗∥F\left\| A\right\|_{F} = \left\| A^{*}\right\|_{F} для нормы Фробениуса ∥A∥F2=∑i,j∣aij∣2=trace⁡(A∗A)\left\| A\right\|_{F}^{2} = \sum_{i,j} \left|a_{ij}\right|^{2} = \operatorname {trace}(A^{*}A).

?
Задача 5.2.5

Для матриц AA и BB и для векторов xx установите следующие свойства согласованности между векторной нормой, определённой на каждом Cp\mathbb {C}^{p}, и соответствующей индуцированной матричной нормой ∥A∥=max⁡∥x∥=1∥Ax∥\left\| A\right\| = \max_{\left\| x\right\| =1} \left\| Ax\right\|.

?
(a)

Покажите, что ∥Ax∥≤∥A∥∥x∥\left\| Ax\right\| \leq \left\| A\right\| \left\| x\right\|.

(b)

Покажите, что ∥AB∥≤∥A∥∥B∥\left\| AB\right\| \leq \left\| A\right\| \left\| B\right\|.

(c)

Объясните, почему ∥A∥=max⁡∥x∥≤1∥Ax∥\left\| A\right\| = \max_{\left\| x\right\| \leq 1} \left\| Ax\right\|.

Задача 5.2.6

Установите следующие свойства матричной 2-нормы.

?
(a)

∥A∥2=max⁡∥x∥2=1,∥y∥2=1∣y∗Ax∣\left\| A\right\|_{2} = \max_{\left\| x\right\|_{2}=1, \left\| y\right\|_{2}=1} \left|y^{*}Ax\right|,

(b)

∥A∥2=∥A∗∥2\left\| A\right\|_{2} = \left\| A^{*}\right\|_{2},

(c)

∥A∗A∥2=∥A∥22\left\| A^{*}A\right\|_{2} = \left\| A\right\|_{2}^{2},

(d)

∥([cc]A00B)∥2=max⁡{∥A∥2,∥B∥2}\left\| \begin{pmatrix} [cc] A & 0 \\ 0 & B \end{pmatrix}\right\|_{2} = \max \left\{ \left\| A\right\|_{2}, \left\| B\right\|_{2}\right\} (считать A,BA, B вещественными),

(e)

∥U∗AV∥2=∥A∥2\left\| U^{*}AV\right\|_{2} = \left\| A\right\|_{2}, когда UU∗=IUU^{*} = I и V∗V=IV^{*}V = I.

Задача 5.2.7

Используя индуцированную матричную норму ∥A∥=max⁡∥x∥=1∥Ax∥\left\| A\right\| = \max_{\left\| x\right\| =1} \left\| Ax\right\|, докажите, что если AA невырождена, то

∥A∥=1min⁡∥x∥=1∥A−1x∥или, что эквивалентно,∥A−1∥=1min⁡∥x∥=1∥Ax∥. \left\| A\right\| = \frac{1}{\min _{\left\| x\right\| =1} \left\| A^{-1}x\right\| } \quad \text{или, что эквивалентно,} \quad \left\| A^{-1}\right\| = \frac{1}{\min _{\left\| x\right\| =1} \left\| Ax\right\| }.
?
Задача 5.2.8

Для A∈Cn×nA \in \mathbb {C}^{n \times n} и параметра z∈Cz \in \mathbb {C} матрица R(z)=(zI−A)−1R(z) = (zI-A)^{-1} называется резольвентой AA. Докажите, что если ∣z∣>∥A∥\left|z\right| > \left\| A\right\| для любой индуцированной матричной нормы, то

∥R(z)∥≤1∣z∣−∥A∥. \left\| R(z)\right\| \leq \frac{1}{\left|z\right| - \left\| A\right\| }.
?
Примечание.
?

Обратное неравенство треугольника (пример 5.1.1) утверждает, что ∣∥x∥−∥y∥∣≤∥x−y∥\left|\left\| x\right\| -\left\| y\right\| \right| \leq \left\| x-y\right\|.

§
Задача 5.3.1

Для x=(x1x2x3)x = \begin{pmatrix} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \end{pmatrix}, y=(y1y2y3)y = \begin{pmatrix} y_{1} \\ y_{2} \\ y_{3} \end{pmatrix} определите, какие из следующих выражений являются скалярными произведениями для R3×1\mathbb {R}^{3 \times 1}.

?
(a)

⟨x,y⟩=x1y1+x3y3\left\langle x, y \right\rangle = x_{1}y_{1} + x_{3}y_{3},

(b)

⟨x,y⟩=x1y1−x2y2+x3y3\left\langle x, y \right\rangle = x_{1}y_{1} - x_{2}y_{2} + x_{3}y_{3},

(c)

⟨x,y⟩=2x1y1+x2y2+4x3y3\left\langle x, y \right\rangle = 2x_{1}y_{1} + x_{2}y_{2} + 4x_{3}y_{3},

(d)

⟨x,y⟩=x12y12+x22y22+x32y32\left\langle x, y \right\rangle = x_{1}^{2}y_{1}^{2} + x_{2}^{2}y_{2}^{2} + x_{3}^{2}y_{3}^{2}.

Примечание.
?

Скалярное произведение на вещественном векторном пространстве VV — это функция ⟨x,y⟩\left\langle x, y \right\rangle упорядоченных пар векторов, удовлетворяющая условиям: ⟨x,x⟩\left\langle x, x \right\rangle вещественно и ⟨x,x⟩≥0\left\langle x, x \right\rangle \geq 0, причём ⟨x,x⟩=0\left\langle x, x \right\rangle = 0 тогда и только тогда, когда x=0x = 0; ⟨x,αy⟩=α⟨x,y⟩\left\langle x, \alpha y \right\rangle = \alpha \left\langle x, y \right\rangle для всех скаляров α\alpha; ⟨x,y+z⟩=⟨x,y⟩+⟨x,z⟩\left\langle x, y+z \right\rangle = \left\langle x, y \right\rangle + \left\langle x, z \right\rangle; и ⟨x,y⟩=⟨y,x⟩\left\langle x, y \right\rangle = \left\langle y, x \right\rangle.

Задача 5.3.2

Для общего пространства VV со скалярным произведением объясните, почему каждое из следующих утверждений верно.

?
(a)

Если ⟨x,y⟩=0\left\langle x, y \right\rangle = 0 для всех x∈Vx \in V, то y=0y = 0.

(b)

⟨αx,y⟩=α⟨x,y⟩\left\langle \alpha x, y \right\rangle = \alpha \left\langle x, y \right\rangle для всех x,y∈Vx, y \in V и всех скаляров α\alpha.

(c)

⟨x+y,z⟩=⟨x,z⟩+⟨y,z⟩\left\langle x+y, z \right\rangle = \left\langle x, z \right\rangle + \left\langle y, z \right\rangle для всех x,y,z∈Vx, y, z \in V.

Задача 5.3.3

Пусть VV — пространство со скалярным произведением ⟨x,y⟩\left\langle x, y \right\rangle. Объясните, почему функция, заданная как ∥⋆∥=⟨⋆,⋆⟩\left\| \star \right\| = \sqrt{ \left\langle \star , \star \right\rangle }, удовлетворяет первым двум общим свойствам матричной нормы ∥A∥≥0\left\| A\right\| \geq 0 с ∥A∥=0  ⟺  A=0\left\| A\right\| =0 \iff A=0, и ∥αA∥=∣α∣∥A∥\left\| \alpha A\right\| = \left|\alpha \right|\left\| A\right\|.

?
Задача 5.3.4

Для вещественного пространства со скалярным произведением, где ∥⋆∥2=⟨⋆,⋆⟩\left\| \star \right\|^{2} = \left\langle \star , \star \right\rangle, выведите неравенство

⟨x,y⟩≤∥x∥2+∥y∥22. \left\langle x, y \right\rangle \leq \frac{\left\| x\right\| ^{2}+\left\| y\right\| ^{2}}{2}.
?
Задача 5.3.5

Для матриц AA и BB размера n×nn \times n объясните, почему каждое из следующих неравенств справедливо.

?
(a)

∣trace⁡(B)∣2≤n trace⁡(B∗B)\left|\operatorname {trace}(B)\right|^{2} \leq n \, \operatorname {trace}(B^{*}B).

(b)

trace⁡(B2)≤trace⁡(BTB)\operatorname {trace}(B^{2}) \leq \operatorname {trace}(B^{T}B) для вещественных матриц.

(c)

trace⁡(ATB)≤trace⁡(ATA)+trace⁡(BTB)2\operatorname {trace}(A^{T}B) \leq \dfrac {\operatorname {trace}(A^{T}A) + \operatorname {trace}(B^{T}B)}{2} для вещественных матриц.

Примечание.
?

Пример 5.3.3: для A,B∈Rm×nA, B \in \mathbb {R}^{m \times n}, снабжённых стандартным матричным скалярным произведением ⟨A,B⟩=trace⁡(ATB)\left\langle A, B \right\rangle = \operatorname {trace}(A^{T}B) и соответствующей нормой Фробениуса ∥A∥F=⟨A,A⟩=trace⁡(ATA)\left\| A\right\|_{F} = \sqrt{ \left\langle A, A \right\rangle } = \sqrt{\operatorname {trace}(A^{T}A)}, неравенство КБШ ⟨A,B⟩2≤∥A∥F2∥B∥F2\left\langle A, B \right\rangle^{2} \leq \left\| A\right\|_{F}^{2}\left\| B\right\|_{F}^{2} даёт trace⁡(ATB)2≤trace⁡(ATA)trace⁡(BTB)\operatorname {trace}(A^{T}B)^{2} \leq \operatorname {trace}(A^{T}A)\operatorname {trace}(B^{T}B).

Задача 5.3.6

Распространите доказательство обратного утверждения к тождеству параллелограмма на комплексные пространства.

?
Примечание.
?

Тождество параллелограмма утверждает, что для заданной нормы ∥⋆∥\left\| \star \right\| на векторном пространстве VV существует скалярное произведение на VV, такое что ⟨⋆,⋆⟩=∥⋆∥2\left\langle \star , \star \right\rangle = \left\| \star \right\|^{2}, тогда и только тогда, когда ∥x+y∥2+∥x−y∥2=2(∥x∥2+∥y∥2)\left\| x+y\right\|^{2} + \left\| x-y\right\|^{2} = 2\left(\left\| x\right\|^{2}+\left\| y\right\|^{2}\right) выполняется для всех x,y∈Vx, y \in V. Для вещественного пространства, удовлетворяющего этому тождеству, скалярное произведение, восстанавливающее норму, есть ⟨x,y⟩=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2)\left\langle x, y \right\rangle = \frac{1}{4}\left(\left\| x+y\right\|^{2} - \left\| x-y\right\|^{2}\right).

Задача 5.3.7

Объясните, почему не существует скалярного произведения на Cn\mathbb {C}^{n} (n≥2n \geq 2), такого что ∥⋆∥∞=⟨⋆,⋆⟩\left\| \star \right\|_{\infty } = \sqrt{ \left\langle \star , \star \right\rangle }.

?
Задача 5.3.8

Объясните, почему матричная норма Фробениуса на Cn×n\mathbb {C}^{n \times n} обязана удовлетворять тождеству параллелограмма.

?
Задача 5.3.9

Для n≥2n \geq 2 порождена ли скалярным произведением на Cn×n\mathbb {C}^{n \times n} хотя бы одна из матричных норм 1, 2 или ∞\infty?

?
§
Задача 5.4.1

Используя стандартное скалярное произведение, определите, какие из следующих пар являются ортогональными векторами в указанном пространстве.

?
(a)

x=(1−34)x = \begin{pmatrix} 1 \\ -3 \\ 4 \end{pmatrix} и y=(−222)y = \begin{pmatrix} -2 \\ 2 \\ 2 \end{pmatrix} в R3\mathbb {R}^{3},

(b)

x=(i1+i21−i)x = \begin{pmatrix} i \\ 1+i \\ 2 \\ 1-i \end{pmatrix} и y=(01+i−21−i)y = \begin{pmatrix} 0 \\ 1+i \\ -2 \\ 1-i \end{pmatrix} в C4\mathbb {C}^{4},

(c)

x=(1−234)x = \begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix} и y=(42−11)y = \begin{pmatrix} 4 \\ 2 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} в R4\mathbb {R}^{4},

(d)

x=(1+i1i)x = \begin{pmatrix} 1+i \\ 1 \\ i \end{pmatrix} и y=(1−i−3−i)y = \begin{pmatrix} 1-i \\ -3 \\ -i \end{pmatrix} в C3\mathbb {C}^{3},

(e)

x=(00⋮0)x = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{pmatrix} и y=(y1y2⋮yn)y = \begin{pmatrix} y_{1} \\ y_{2} \\ \vdots \\ y_{n} \end{pmatrix} в Rn\mathbb {R}^{n}.

Задача 5.4.2

Найдите два вектора единичной нормы, ортогональных вектору u=(3−2)u = \begin{pmatrix} 3 \\ -2 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.4.3

Рассмотрим следующий набор из трёх векторов:

x1=(1−102),x2=(1110),x3=(−1−120). x_{1} = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 2 \end{pmatrix}, \quad x_{2} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad x_{3} = \begin{pmatrix} -1 \\ -1 \\ 2 \\ 0 \end{pmatrix}.
?
(a)

Используя стандартное скалярное произведение в R4\mathbb {R}^{4}, проверьте, что эти векторы попарно ортогональны.

(b)

Найдите ненулевой вектор x4x_{4} такой, что {x1,x2,x3,x4}\left\{ x_{1},x_{2},x_{3},x_{4}\right\} — набор попарно ортогональных векторов.

(c)

Преобразуйте полученный набор в ортонормированный базис пространства R4\mathbb {R}^{4}.

Задача 5.4.4

Используя стандартное скалярное произведение, определите разложение Фурье вектора xx по BB, где

x=(10−2),B={12(1−10),  13(111),  16(−1−12)}. x = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -2 \end{pmatrix}, \qquad B = \left\{ \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix}, \; \frac{1}{\sqrt{3}}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}, \; \frac{1}{\sqrt{6}}\begin{pmatrix} -1 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix}\right\} .
?
Задача 5.4.5

Используя скалярное произведение для матриц ⟨A,B⟩=trace⁡(ATB)\left\langle A, B \right\rangle = \operatorname {trace}(A^{T}B), проверьте, что набор

B={12(0110),  12(100−1),  12(1−111),  12(11−11)} B = \left\{ \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \; \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}, \; \frac{1}{2}\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}, \; \frac{1}{2}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix}\right\}

является ортонормированным базисом пространства R2×2\mathbb {R}^{2 \times 2}, а затем вычислите разложение Фурье матрицы A=(1111)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} по BB.

?
Задача 5.4.6

Определите угол между x=(2−11)x = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} и y=(112)y = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.4.7

Дан ортонормированный базис BB пространства VV; объясните, почему разложение Фурье вектора x∈Vx \in V однозначно определяется базисом BB.

?
Задача 5.4.8

Объясните, почему столбцы матрицы Un×nU_{n \times n} образуют ортонормированный базис пространства Cn\mathbb {C}^{n} тогда и только тогда, когда U∗=U−1U^{*} = U^{-1}.

?
Примечание.
?

Такие матрицы называются унитарными; их свойства изучаются в одном из следующих разделов.

Задача 5.4.9

Матрицы со свойством A∗A=AA∗A^{*}A = AA^{*} называются нормальными (эрмитовы матрицы, а также вещественные симметричные матрицы входят в этот класс). Докажите, что если AA нормальна, то R(A)⊥N(A)\mathcal{R}(A) \perp \mathcal{N}(A) — то есть каждый вектор из образа матрицы AA ортогонален каждому вектору из её нуль-пространства.

?
Примечание.
?

Для A∈Cm×nA \in \mathbb {C}^{m \times n} уравнения (4.5.5)-(4.5.6) утверждают, что R(A∗A)=R(A∗)\mathcal{R}(A^{*}A) = \mathcal{R}(A^{*}), R(AA∗)=R(A)\mathcal{R}(AA^{*}) = \mathcal{R}(A), N(A∗A)=N(A)\mathcal{N}(A^{*}A) = \mathcal{N}(A) и N(AA∗)=N(A∗)\mathcal{N}(AA^{*}) = \mathcal{N}(A^{*}).

Задача 5.4.10

Используя скалярное произведение через след ⟨A,B⟩=trace⁡(ATB)\left\langle A, B \right\rangle = \operatorname {trace}(A^{T}B), определите угол между следующими парами матриц.

?
(a)

I=(1001)I = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} и B=(1111)B = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.

(b)

A=(1324)A = \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix} и B=(2−220)B = \begin{pmatrix} 2 & -2 \\ 2 & 0 \end{pmatrix}.

Задача 5.4.11

Почему определение cos⁡θ=⟨x,y⟩/∥x∥∥y∥\cos \theta = \left\langle x, y \right\rangle /\left\| x\right\| \left\| y\right\| не годится для Cn\mathbb {C}^{n}? Объясните, как следует определить cos⁡θ\cos \theta, чтобы оно имело смысл в Cn\mathbb {C}^{n}.

?
Задача 5.4.12

Если {u1,u2,…,un}\left\{ u_{1}, u_{2}, \ldots , u_{n}\right\} — ортонормированный базис пространства со скалярным произведением VV, объясните, почему

⟨x,y⟩=∑i⟨x,ui⟩⟨ui,y⟩ \left\langle x, y \right\rangle = \sum _{i} \left\langle x, u_{i} \right\rangle \left\langle u_{i}, y \right\rangle

выполняется для всех x,y∈Vx, y \in V.

?
Задача 5.4.13

Рассмотрим вещественное пространство со скалярным произведением, где ∥⋆∥2=⟨⋆,⋆⟩\left\| \star \right\|^{2} = \left\langle \star , \star \right\rangle.

?
(a)

Докажите, что если ∥x∥=∥y∥\left\| x\right\| = \left\| y\right\|, то (x+y)⊥(x−y)(x+y) \perp (x-y).

(b)

Для стандартного скалярного произведения в R2\mathbb {R}^{2} нарисуйте картинку, иллюстрирующую это. То есть изобразите расположение x+yx+y и x−yx-y для двух векторов с равными нормами.

Задача 5.4.14

Пусть VV — общее пространство со скалярным произведением, в котором ∥⋆∥2=⟨⋆,⋆⟩\left\| \star \right\|^{2} = \left\langle \star , \star \right\rangle.

?
(a)

Если VV — вещественное пространство, докажите, что x⊥yx \perp y тогда и только тогда, когда ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2\left\| x+y\right\|^{2} = \left\| x\right\|^{2} + \left\| y\right\|^{2}.

(b)

Постройте пример, показывающий, что одна из импликаций в пункте (а) не выполняется, когда VV — комплексное пространство.

(c)

Если VV — комплексное пространство, докажите, что x⊥yx \perp y тогда и только тогда, когда ∥αx+βy∥2=∥αx∥2+∥βy∥2\left\| \alpha x + \beta y\right\|^{2} = \left\| \alpha x\right\|^{2} + \left\| \beta y\right\|^{2} для всех скаляров α\alpha и β\beta.

Задача 5.4.15

Пусть B={u1,u2,…,un}B = \left\{ u_{1}, u_{2}, \ldots , u_{n}\right\} — ортонормированный базис пространства со скалярным произведением VV, и пусть x=∑iξiuix = \sum_{i} \xi_{i}u_{i} — разложение Фурье вектора x∈Vx \in V.

?
(a)

Если VV — вещественное пространство и θi\theta_{i} — угол между uiu_{i} и xx, объясните, почему ξi=∥x∥cos⁡θi\xi_{i} = \left\| x\right\| \cos \theta_{i}. Сделайте набросок этого в R2\mathbb {R}^{2} или R3\mathbb {R}^{3}, чтобы показать, почему компонента ξiui\xi_{i}u_{i} представляет собой ортогональную проекцию xx на прямую, определяемую вектором uiu_{i}, и тем самым проиллюстрируйте тот факт, что разложение Фурье — это не что иное, как разложение xx на взаимно ортогональные компоненты.

(b)

Выведите равенство Парсеваля, которое утверждает, что ∑i=1n∣ξi∣2=∥x∥2\sum_{i=1}^{n} \left|\xi_{i}\right|^{2} = \left\| x\right\|^{2}.

Задача 5.4.16

Пусть B={u1,u2,…,uk}B = \left\{ u_{1}, u_{2}, \ldots , u_{k}\right\} — ортонормированное множество в nn-мерном пространстве со скалярным произведением VV. Выведите неравенство Бесселя, которое утверждает, что если x∈Vx \in V и ξi=⟨ui,x⟩\xi_{i} = \left\langle u_{i}, x \right\rangle, то

∑i=1k∣ξi∣2≤∥x∥2. \sum _{i=1}^{k} \left|\xi _{i}\right|^{2} \leq \left\| x\right\| ^{2}.

Объясните, почему равенство выполняется тогда и только тогда, когда x∈⟨u1,u2,…,uk⟩x \in \left\langle u_{1}, u_{2}, \ldots , u_{k}\right\rangle.

?
Задача 5.4.17

Постройте пример со стандартным скалярным произведением в Rn\mathbb {R}^{n}, показывающий, что угол между двумя векторами xx и yy может быть близок к π/2\pi /2, при этом xTyx^{T}y не будет близко к 00.

?
Задача 5.4.18

Пример 5.4.3 показывает, что yy линейно коррелирует с xx в том смысле, что y≈β0e+β1xy \approx \beta_{0}e + \beta_{1}x, тогда и только тогда, когда стандартизованные векторы zx=(x−μxe)/σxz_{x} = (x-\mu_{x}e)/\sigma_{x} и zy=(y−μye)/σyz_{y} = (y-\mu_{y}e)/\sigma_{y} «близки» в том смысле, что они почти лежат на одной прямой в Rn\mathbb {R}^{n} (где μx,σx\mu_{x}, \sigma_{x} — среднее и стандартное отклонение компонент xx, и аналогично для yy). Объясните, почему простое измерение ∥zx−zy∥2\left\| z_{x}-z_{y}\right\|_{2} не всегда позволяет оценить степень линейной корреляции.

?
Задача 5.4.19

Пусть θ\theta — угол между двумя векторами xx и yy из вещественного пространства со скалярным произведением.

?
(a)

Докажите, что cos⁡θ=1\cos \theta = 1 тогда и только тогда, когда y=αxy = \alpha x при α>0\alpha > 0.

(b)

Докажите, что cos⁡θ=−1\cos \theta = -1 тогда и только тогда, когда y=αxy = \alpha x при α<0\alpha < 0.

Задача 5.4.20

Относительно ортонормированного множества

B={12π,  cos⁡tπ,  cos⁡2tπ,…,  sin⁡tπ,  sin⁡2tπ,  sin⁡3tπ,…}, B = \left\{ \frac{1}{\sqrt{2\pi }}, \; \frac{\cos t}{\sqrt{\pi }}, \; \frac{\cos 2t}{\sqrt{\pi }}, \ldots , \; \frac{\sin t}{\sqrt{\pi }}, \; \frac{\sin 2t}{\sqrt{\pi }}, \; \frac{\sin 3t}{\sqrt{\pi }}, \ldots \right\} ,

определите разложение в ряд Фурье пилообразной функции, заданной как f(t)=tf(t) = t для −π<t<π-\pi < t < \pi (продолженной периодически).

Периодическое продолжение пилообразной функции f(t)=t на (-\pi ,\pi ).Периодическое продолжение пилообразной функции f(t)=t на (-\pi ,\pi ).

?
§
Задача 5.5.1

Пусть S=⟨x1=(111−1),  x2=(2−1−11),  x3=(−1221)⟩S = \left\langle x_{1} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}, \; x_{2} = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}, \; x_{3} = \begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ 2 \\ 1 \end{pmatrix}\right\rangle.

?
(a)

Используйте классический алгоритм Грама--Шмидта (с точной арифметикой), чтобы определить ортонормированный базис пространства SS.

(b)

Непосредственно проверьте, что последовательность Грама--Шмидта, полученная в пункте (а), действительно является ортонормированным базисом пространства SS.

(c)

Повторите пункт (а), используя модифицированный алгоритм Грама--Шмидта, и сравните результаты.

Задача 5.5.2

Используйте процедуру Грама--Шмидта, чтобы найти ортонормированный базис для четырех фундаментальных подпространств матрицы A=(1−23−12−46−23−69−3)A = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -1 \\ 2 & -4 & 6 & -2 \\ 3 & -6 & 9 & -3 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.5.3

Примените процедуру Грама--Шмидта со стандартным скалярным произведением в C3\mathbb {C}^{3} к множеству {(iii),(0ii),(00i)}\left\{ \begin{pmatrix} i \\ i \\ i \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 \\ i \\ i \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ i \end{pmatrix}\right\}.

?
Задача 5.5.4

Объясните, что произойдет, если процесс Грама--Шмидта применить к ортонормированному множеству векторов.

?
Задача 5.5.5

Объясните, что произойдет, если процесс Грама--Шмидта применить к линейно зависимому множеству векторов.

?
Задача 5.5.6

Пусть A=(10−112111−3011)A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & -3 \\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix} и b=(1111)b = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}.

?
(a)

Определите прямоугольное QR-разложение матрицы AA.

(b)

Используя QR-множители из пункта (а), найдите решение методом наименьших квадратов уравнения Ax=bAx = b.

Задача 5.5.7

Дан линейно независимый набор векторов S={x1,x2,…,xn}S = \left\{ x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}\right\} в пространстве со скалярным произведением; пусть Sk=⟨x1,x2,…,xk⟩S_{k} = \left\langle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{k}\right\rangle для k=1,2,…,nk=1,2,\ldots ,n. Приведите индукционное рассуждение, доказывающее, что если Ok={u1,u2,…,uk}O_{k} = \left\{ u_{1},u_{2},\ldots ,u_{k}\right\} — последовательность Грама-Шмидта

u1=x1∥x1∥,uk+1=xk+1−∑i=1k⟨ui,xk+1⟩uiνk+1   при k>0, где νk+1=∥xk+1−∑i=1k⟨ui,xk+1⟩ui∥, u_{1} = \frac{x_{1}}{\left\| x_{1}\right\| }, \qquad u_{k+1} = \frac{x_{k+1} - \sum _{i=1}^{k} \left\langle u_{i}, x_{k+1} \right\rangle u_{i}}{\nu _{k+1}} \; \text{ при } k>0, \text{ где } \nu _{k+1} = \left\| x_{k+1}-\sum _{i=1}^{k} \left\langle u_{i}, x_{k+1} \right\rangle u_{i}\right\| ,

то OkO_{k} действительно является ортонормированным базисом для Sk=⟨x1,x2,…,xk⟩S_{k} = \left\langle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{k}\right\rangle при каждом k=1,2,…,nk=1,2,\ldots ,n.

?
Задача 5.5.8

Докажите, что если rk⁡(Am×n)=n\operatorname {rk}\left(A_{m \times n}\right) = n, то прямоугольное QR-разложение матрицы AA единственно. То есть, если A=QRA = QR, где Qm×nQ_{m \times n} имеет ортонормированные столбцы, а Rn×nR_{n \times n} верхнетреугольная с положительными диагональными элементами, то QQ и RR единственны.

?
Примечание.
?

Формула (5.5.6) показывает, что если A=QRA = QR, где QQ имеет ортонормированные столбцы, то ATA=RTRA^{T}A = R^{T}R. Пример 3.10.7 утверждает, что разложение Холецкого положительно определённой матрицы единственно.

Задача 5.5.9
?
(a)

Примените классический процесс Грама-Шмидта с 3-значной арифметикой с плавающей точкой к {x1=(1010−3),x2=(100),x3=(110−30)}\left\{ x_{1} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 10^{-3} \end{pmatrix}, x_{2} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, x_{3} = \begin{pmatrix} 1 \\ 10^{-3} \\ 0 \end{pmatrix}\right\}. Можно считать, что fl⁡(2)=1.41\operatorname {fl}(\sqrt{2}) = 1.41.

(b)

Снова используя 3-значную арифметику с плавающей точкой, примените модифицированный алгоритм Грама-Шмидта к {x1,x2,x3}\left\{ x_{1},x_{2},x_{3}\right\} и сравните результат с результатом из пункта (а).

Задача 5.5.10

В зависимости от того, как определены скалярные произведения rijr_{ij}, убедитесь, что следующий код реализует как классический, так и модифицированный алгоритмы Грама-Шмидта, применённые к набору векторов {x1,x2,…,xn}\left\{ x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}\right\}. Для j=1j = 1 до nn uj←xju_{j} \leftarrow x_{j} Для i=1i = 1 до j−1j-1 rij←{⟨ui,xj⟩(классический процесс Грама-Шмидта)⟨ui,uj⟩(модифицированный процесс Грама-Шмидта)r_{ij} \leftarrow \begin{cases} \left\langle u_{i}, x_{j} \right\rangle & \text{(классический процесс Грама-Шмидта)} \\ \left\langle u_{i}, u_{j} \right\rangle & \text{(модифицированный процесс Грама-Шмидта)} \end{cases} uj←uj−rijuiu_{j} \leftarrow u_{j} - r_{ij}u_{i} Конец rjj←∥uj∥r_{jj} \leftarrow \left\| u_{j}\right\| Если rjj=0r_{jj} = 0, завершить (поскольку xj∈⟨x1,…,xj−1⟩x_{j} \in \left\langle x_{1},\ldots ,x_{j-1}\right\rangle) Иначе uj←uj/rjju_{j} \leftarrow u_{j}/r_{jj} Конец Если используется точная арифметика, будут ли скалярные произведения rijr_{ij} одинаковыми для обеих реализаций?

?
Задача 5.5.11

Пусть VV — пространство со скалярным произведением, состоящее из вещественнозначных непрерывных функций, определённых на отрезке [−1,1][-1,1], где скалярное произведение определено как ⟨f,g⟩=∫−11f(x)g(x) dx\left\langle f, g \right\rangle = \int_{-1}^{1} f(x)g(x)\, dx, и пусть SS — подпространство в VV, порождённое тремя линейно независимыми многочленами q0=1q_{0}=1, q1=xq_{1}=x, q2=x2q_{2}=x^{2}.

?
(a)

Используя процесс Грама-Шмидта, найдите ортонормированное множество многочленов {p0,p1,p2}\left\{ p_{0},p_{1},p_{2}\right\}, порождающее SS. Эти многочлены являются первыми тремя нормированными многочленами Лежандра.

(b)

Проверьте, что pnp_{n} удовлетворяет дифференциальному уравнению Лежандра (1−x2)y′′−2xy′+n(n+1)y=0(1-x^{2})y'' - 2xy' + n(n+1)y = 0 при n=0,1,2n=0,1,2.

§
Задача 5.6.1

Определите, какие из следующих матриц являются изометриями.

?
(a)

(1/2−1/201/61/6−2/61/31/31/3)\begin{pmatrix} 1/\sqrt{2} & -1/\sqrt{2} & 0 \\ 1/\sqrt{6} & 1/\sqrt{6} & -2/\sqrt{6} \\ 1/\sqrt{3} & 1/\sqrt{3} & 1/\sqrt{3} \end{pmatrix}.

(b)

(10110−1010)\begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}.

(c)

(0010100000010100)\begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

(d)

(eiθ10⋯00eiθ2⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯eiθn)\begin{pmatrix} e^{i\theta_{1}} & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & e^{i\theta_{2}} & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & e^{i\theta_{n}} \end{pmatrix}.

Задача 5.6.2

Является ли (1+i31+i6i3−2i6)\begin{pmatrix} \dfrac {1+i}{\sqrt{3}} & \dfrac {1+i}{\sqrt{6}} \\ \dfrac {i}{\sqrt{3}} & \dfrac {-2i}{\sqrt{6}} \end{pmatrix} унитарной матрицей?

?
Задача 5.6.3
?
(a)

Сколько существует матриц 3×33 \times 3, которые одновременно диагональны и ортогональны?

(b)

Сколько существует матриц n×nn \times n, которые одновременно диагональны и ортогональны?

(c)

Сколько существует матриц n×nn \times n, которые одновременно диагональны и унитарны?

Задача 5.6.4
?
(a)

При каких условиях на вещественные числа α\alpha и β\beta матрица P=(α+ββ−αα−ββ+α)P = \begin{pmatrix} \alpha +\beta & \beta -\alpha \\ \alpha -\beta & \beta +\alpha \end{pmatrix} будет ортогональной?

(b)

При каких условиях на вещественные числа α\alpha и β\beta матрица U=(0α0iβα0iβ00iβ0αiβ0α0)U = \begin{pmatrix} 0 & \alpha & 0 & i\beta \\ \alpha & 0 & i\beta & 0 \\ 0 & i\beta & 0 & \alpha \\ i\beta & 0 & \alpha & 0 \end{pmatrix} будет унитарной?

Задача 5.6.5

Пусть UU и VV — две унитарные (ортогональные) матрицы n×nn \times n.

?
(a)

Объясните, почему произведение UVUV обязательно унитарно (ортогонально).

(b)

Объясните, почему сумма U+VU+V не обязана быть унитарной (ортогональной).

(c)

Объясните, почему (Un×n00Vm×m)\begin{pmatrix} U_{n \times n} & 0 \\ 0 & V_{m \times m} \end{pmatrix} обязательно унитарна (ортогональна).

Задача 5.6.6

Докажите, как это сделал Кэли в 1846 году, что если AA косоэрмитова (или вещественная кососимметричная), то U=(I−A)(I+A)−1=(I+A)−1(I−A)U = (I-A)(I+A)^{-1} = (I+A)^{-1}(I-A) унитарна (ортогональна); для этого сначала покажите, что (I+A)−1(I+A)^{-1} существует для косоэрмитовых матриц, а также что (I−A)(I+A)−1=(I+A)−1(I−A)(I-A)(I+A)^{-1} = (I+A)^{-1}(I-A).

?
Примечание.
?

Упражнение 3.7.6 устанавливает, что A(I+A)−1=(I+A)−1AA(I+A)^{-1} = (I+A)^{-1}A всякий раз, когда I+AI+A невырождена. Существует более прямой подход к этому упражнению, но он требует теоремы о диагонализации нормальных матриц (Упражнение 7.5.5).

Задача 5.6.7

Предположим, что RR и SS — элементарные отражения.

?
(a)

Является ли (I00R)\begin{pmatrix} I & 0 \\ 0 & R \end{pmatrix} элементарным отражением?

(b)

Является ли (R00S)\begin{pmatrix} R & 0 \\ 0 & S \end{pmatrix} элементарным отражением?

Задача 5.6.8
?
(a)

Объясните, почему стандартное скалярное произведение инвариантно относительно унитарного преобразования. То есть, если UU — произвольная унитарная матрица и если u=Uxu = Ux и v=Uyv = Uy, то u∗v=x∗yu^{*}v = x^{*}y.

(b)

Для произвольных двух векторов x,y∈Rnx, y \in \mathbb {R}^{n} объясните, почему угол между ними инвариантен относительно ортогонального преобразования. То есть, если u=Pxu = Px и v=Pyv = Py, где PP — ортогональная матрица, то cos⁡θu,v=cos⁡θx,y\cos \theta_{u,v} = \cos \theta_{x,y}.

Задача 5.6.9

Пусть Um×rU_{m \times r} — матрица с ортонормированными столбцами, а Vk×nV_{k \times n} — матрица с ортонормированными строками. Для произвольной A∈Cr×kA \in \mathbb {C}^{r \times k} решите следующие задачи, используя матричную 2-норму и норму Фробениуса.

?
(a)

Определите значения ∥U∥2\left\| U\right\|_{2}, ∥V∥2\left\| V\right\|_{2}, ∥U∥F\left\| U\right\|_{F} и ∥V∥F\left\| V\right\|_{F}.

(b)

Покажите, что ∥UAV∥2=∥A∥2\left\| UAV\right\|_{2} = \left\| A\right\|_{2}.

(c)

Покажите, что ∥UAV∥F=∥A∥F\left\| UAV\right\|_{F} = \left\| A\right\|_{F}.

Примечание.
?

В частности, эти свойства верны, когда UU и VV — унитарные матрицы. Из-за пунктов (б) и (в) 2-норму и норму Фробениуса называют унитарно инвариантными нормами.

Задача 5.6.10

Пусть u=(−213−1)u = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 3 \\ -1 \end{pmatrix} и v=(140−1)v = \begin{pmatrix} 1 \\ 4 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix}.

?
(a)

Определите ортогональную проекцию uu на ⟨v⟩\left\langle v\right\rangle.

(b)

Определите ортогональную проекцию vv на ⟨u⟩\left\langle u\right\rangle.

(c)

Определите ортогональную проекцию uu на v⊥v^{\perp }.

(d)

Определите ортогональную проекцию vv на u⊥u^{\perp }.

Примечание.
?

Формула (5.6.6): для ненулевого вектора u∈Cnu \in \mathbb {C}^{n} ортогональный проектор на ⟨u⟩\left\langle u\right\rangle равен uu∗u∗u\dfrac {uu^{*}}{u^{*}u}, а ортогональный проектор на u⊥u^{\perp } равен I−uu∗u∗uI - \dfrac {uu^{*}}{u^{*}u}.

Задача 5.6.11

Рассмотрим элементарные ортогональные проекторы Q=I−uu∗Q = I - uu^{*} (где ∥u∥=1\left\| u\right\| =1).

?
(a)

Докажите, что QQ вырождена.

(b)

Теперь докажите, что если QQ имеет размер n×nn \times n, то rk⁡(Q)=n−1\operatorname {rk}\left(Q\right) = n-1.

Задача 5.6.12

Для векторов u,x∈Cnu, x \in \mathbb {C}^{n} таких, что ∥u∥=1\left\| u\right\| =1, пусть pp — ортогональная проекция xx на ⟨u⟩\left\langle u\right\rangle. Объясните, почему ∥p∥≤∥x∥\left\| p\right\| \leq \left\| x\right\|, причём равенство выполняется тогда и только тогда, когда xx является скалярным кратным uu.

?
Примечание.
?

Формула (5.6.5) утверждает, что ∥p∥=∣u∗x∣\left\| p\right\| = \left|u^{*}x\right|. Неравенство Коши—Буняковского—Шварца (5.1.3) утверждает, что ∣u∗x∣≤∥u∥∥x∥\left|u^{*}x\right| \leq \left\| u\right\| \left\| x\right\|.

Задача 5.6.13

Пусть x=13(1−2−2)x = \dfrac {1}{3}\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ -2 \end{pmatrix}.

?
(a)

Определите элементарное отражение RR такое, что RxRx лежит на оси xx.

(b)

Проверьте прямым вычислением, что ваше отражение RR симметрично, ортогонально и инволютивно.

(c)

Дополните xx до ортонормированного базиса пространства R3\mathbb {R}^{3}, используя элементарное отражение.

Задача 5.6.14

Пусть R=I−2uu∗R = I - 2uu^{*}, где ∥un×1∥=1\left\| u_{n \times 1}\right\| = 1. Если xx — неподвижная точка RR в том смысле, что Rx=xRx = x, и если n>1n>1, докажите, что xx должен быть ортогонален uu, а затем изобразите эту ситуацию в R3\mathbb {R}^{3}.

Плоскость неподвижных точек u^{\perp } отражения R = I - 2uu^{*}, с изображённым u и неподвижной точкой x.Плоскость неподвижных точек u^{\perp } отражения R = I - 2uu^{*}, с изображённым u и неподвижной точкой x.

?
Задача 5.6.15

Пусть x,y∈Rnx, y \in \mathbb {R}^{n} — векторы такие, что ∥x∥=∥y∥\left\| x\right\| = \left\| y\right\|, но x≠yx \neq y. Объясните, как построить элементарное отражение RR такое, что Rx=yRx = y.

?
Примечание.
?

Вектор uu, задающий RR, можно определить визуально в R3\mathbb {R}^{3}, рассматривая картину отражения относительно плоскости из построения элементарного отражения (рисунок 5.6.2 источника).

Задача 5.6.16

Пусть xn×1x_{n \times 1} — вектор такой, что ∥x∥=1\left\| x\right\| = 1, и разобьём xx на блоки x=(x1x~)x = \begin{pmatrix} x_{1} \\ \tilde{x} \end{pmatrix}, где x~\tilde{x} имеет размер (n−1)×1(n-1) \times 1.

?
(a)

Если компоненты xx вещественны и x1≠1x_{1} \neq 1, покажите, что P=(x1x~Tx~I−αx~x~T)P = \begin{pmatrix} x_{1} & \tilde{x}^{T} \\ \tilde{x} & I - \alpha \tilde{x}\tilde{x}^{T} \end{pmatrix}, где α=11−x1\alpha = \dfrac {1}{1-x_{1}}, является ортогональной матрицей.

(b)

Предположим, что компоненты xx комплексны. Если ∣x1∣≠1\left|x_{1}\right| \neq 1 и μ\mu — число, определённое как μ=1\mu = 1, если x1x_{1} вещественно, и μ=x1/∣x1∣\mu = x_{1}/\left|x_{1}\right|, если x1x_{1} не вещественно, покажите, что матрица U=(x1μ2x~∗x~μ(I−αx~x~∗))U = \begin{pmatrix} x_{1} & \mu^{2}\tilde{x}^{*} \\ \tilde{x} & \mu (I-\alpha \tilde{x}\tilde{x}^{*}) \end{pmatrix}, где α=11−∣x1∣\alpha = \dfrac {1}{1-\left|x_{1}\right|}, унитарна.

Примечание.
?

Эти результаты дают простой способ дополнить заданный вектор до ортонормированного базиса всего пространства Rn\mathbb {R}^{n} или Cn\mathbb {C}^{n}.

Задача 5.6.17

Выполните следующую последовательность поворотов в R3\mathbb {R}^{3}, начиная с v0=(11−1)v_{0} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}.

  1. Поверните v0v_{0} против часовой стрелки на 45°45° вокруг оси xx, получив v1v_{1}.

  2. Поверните v1v_{1} по часовой стрелке на 90°90° вокруг оси yy, получив v2v_{2}.

  3. Поверните v2v_{2} против часовой стрелки на 30°30° вокруг оси zz, получив v3v_{3}. Найдите координаты v3v_{3}, а также ортогональную матрицу QQ такую, что Qv0=v3Qv_{0} = v_{3}.

?
Примечание.
?

Матрицы поворота против часовой стрелки вокруг каждой координатной оси на угол θ\theta имеют вид Px(θ)=(1000cos⁡θ−sin⁡θ0sin⁡θcos⁡θ)P_{x}(\theta ) = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos \theta & -\sin \theta \\ 0 & \sin \theta & \cos \theta \end{pmatrix}, Py(θ)=(cos⁡θ0sin⁡θ010−sin⁡θ0cos⁡θ)P_{y}(\theta ) = \begin{pmatrix} \cos \theta & 0 & \sin \theta \\ 0 & 1 & 0 \\ -\sin \theta & 0 & \cos \theta \end{pmatrix}, Pz(θ)=(cos⁡θ−sin⁡θ0sin⁡θcos⁡θ0001)P_{z}(\theta ) = \begin{pmatrix} \cos \theta & -\sin \theta & 0 \\ \sin \theta & \cos \theta & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}; поворот по часовой стрелке на угол θ\theta — это P⋆(−θ)P_{\star }(-\theta ).

Задача 5.6.18

Имеет ли значение порядок, в котором выполняются повороты в R3\mathbb {R}^{3}? Например, предположим, что вектор v∈R3v \in \mathbb {R}^{3} сначала поворачивается против часовой стрелки вокруг оси xx на угол θ\theta, а затем этот вектор поворачивается против часовой стрелки вокруг оси yy на угол φ\varphi. Будет ли результат таким же, как если сначала повернуть vv против часовой стрелки вокруг оси yy на угол φ\varphi, а затем выполнить поворот против часовой стрелки вокруг оси xx на угол θ\theta?

?
Задача 5.6.19

Для каждого ненулевого вектора u∈Cnu \in \mathbb {C}^{n} докажите, что dim⁡u⊥=n−1\dim u^{\perp } = n-1.

?
Задача 5.6.20

Матрица, удовлетворяющая условию A2=IA^{2} = I, называется инволюцией или инволютивной матрицей, а матрица PP, удовлетворяющая условию P2=PP^{2} = P, называется проектором или идемпотентной матрицей. Покажите, что между множеством инволюций и множеством проекторов в Cn×n\mathbb {C}^{n \times n} существует взаимно однозначное соответствие.

?
Примечание.
?

Формулы (5.6.6)-(5.6.7) показывают, что элементарный отражатель R=I−2uu∗/u∗uR = I - 2uu^{*}/u^{*}u (являющийся инволюцией) строится из проектора P=uu∗/u∗uP = uu^{*}/u^{*}u по формуле R=I−2PR = I - 2P.

Задача 5.6.21

При использовании компьютера для построения и отображения трёхмерного выпуклого многогранника желательно не отрисовывать те грани, которые должны быть скрыты от наблюдателя. Векторное произведение в R3\mathbb {R}^{3} можно использовать для того, чтобы определить, какие грани видимы, а какие нет: если u=(u1u2u3)u = \begin{pmatrix} u_{1} \\ u_{2} \\ u_{3} \end{pmatrix} и v=(v1v2v3)v = \begin{pmatrix} v_{1} \\ v_{2} \\ v_{3} \end{pmatrix}, то u×v=(u2v3−u3v2u3v1−u1v3u1v2−u2v1)u \times v = \begin{pmatrix} u_{2}v_{3}-u_{3}v_{2} \\ u_{3}v_{1}-u_{1}v_{3} \\ u_{1}v_{2}-u_{2}v_{1} \end{pmatrix} — это вектор, ортогональный как uu, так и vv, направление которого задаётся правилом правой руки.

Слева: наблюдатель, расположенный на положительной полуоси x и смотрящий в сторону начала координат (источник — рисунок 5.6.6). В центре: правило правой руки для u \times v (источник — рисунок 5.6.8). Справа: грань с вершинами p_0,p_1,p_2 и внешней нормалью n (источник — рисунок 5.6.9).Слева: наблюдатель, расположенный на положительной полуоси x и смотрящий в сторону начала координат (источник — рисунок 5.6.6). В центре: правило правой руки для u \times v (источник — рисунок 5.6.8). Справа: грань с вершинами p_0,p_1,p_2 и внешней нормалью n (источник — рисунок 5.6.9).

Предположим, что начало координат находится внутри многогранника, и рассмотрим отдельную грань и три вершины p0,p1,p2p_{0}, p_{1}, p_{2} на этой грани, перечисленные против часовой стрелки, если смотреть снаружи грани. Вектор n=(p1−p0)×(p2−p1)n = (p_{1}-p_{0}) \times (p_{2}-p_{1}) ортогонален грани и направлен наружу. Объясните, почему внешняя сторона грани видна наблюдателю, расположенному на положительной полуоси xx и смотрящему в сторону начала координат, тогда и только тогда, когда первая компонента внешней нормали nn положительна. Другими словами, грань отрисовывается тогда и только тогда, когда n1>0n_{1} > 0.

?
§
Задача 5.7.1
?
(a)

Используя приведение Хаусхолдера, вычислите QR-разложение матрицы A=(119−34−2−5202837)A = \begin{pmatrix} 1 & 19 & -34 \\ -2 & -5 & 20 \\ 2 & 8 & 37 \end{pmatrix}.

(b)

Повторите пункт (а), используя приведение Гивенса.

Задача 5.7.2

Для A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m \times n} предположим, что rk⁡(A)=n\operatorname {rk}\left(A\right) = n, и пусть PP — ортогональная матрица такая, что PA=T=(Rn×n0)PA = T = \begin{pmatrix} R_{n \times n} \\ 0 \end{pmatrix}, где RR — верхняя треугольная матрица. Если PTP^{T} разбита на блоки как PT=[Xm×n∣Y]P^{T} = \left[X_{m \times n} \mid Y\right], объясните, почему столбцы матрицы XX образуют ортонормированный базис для R(A)\mathcal{R}(A).

?
Задача 5.7.3

Используя приведение Хаусхолдера, найдите ортонормированный базис для R(A)\mathcal{R}(A), где A=(4−342−14−3−21401−715)A = \begin{pmatrix} 4 & -3 & 4 \\ 2 & -14 & -3 \\ -2 & 14 & 0 \\ 1 & -7 & 15 \end{pmatrix}.

?
Примечание.
?

Уравнение (5.7.1): для A∗1A_{*1}, первого столбца матрицы AA, положим u=A∗1±μ∥A∗1∥e1u = A_{*1} \pm \mu \left\| A_{*1}\right\| e_{1} (где μ\mu определено, как в (5.6.10)) и построим элементарный отражатель R1=I−2uu∗/u∗uR_{1} = I - 2uu^{*}/u^{*}u, который обнуляет каждый элемент ниже первого ведущего элемента матрицы AA.

Задача 5.7.4

Используя приведение Хаусхолдера, вычислите решение методом наименьших квадратов для Ax=bAx=b, где A=(4−342−14−3−21401−715)A = \begin{pmatrix} 4 & -3 & 4 \\ 2 & -14 & -3 \\ -2 & 14 & 0 \\ 1 & -7 & 15 \end{pmatrix} и b=(5−15030)b = \begin{pmatrix} 5 \\ -15 \\ 0 \\ 30 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.7.5

Если A=QRA = QR — QR-разложение для AA, объясните, почему ∥A∥F=∥R∥F\left\| A\right\|_{F} = \left\| R\right\|_{F}.

?
Задача 5.7.6

Найдите ортогональную матрицу PP такую, что PTAP=HP^{T}AP = H имеет верхнюю форму Хессенберга, где A=(−23−43−2550−45025)A = \begin{pmatrix} -2 & 3 & -4 \\ 3 & -25 & 50 \\ -4 & 50 & 25 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.7.7

Пусть HH — матрица верхней формы Хессенберга, и предположим, что H=QRH = QR, где RR — невырожденная верхнетреугольная матрица. Докажите, что QQ, а также произведение RQRQ, также должны иметь верхнюю форму Хессенберга.

?
Задача 5.7.8

Приблизительно сколько умножений требуется, чтобы привести невырожденную матрицу n×nn \times n верхней формы Хессенберга к верхнетреугольной форме с помощью плоских вращений?

?
§
Задача 5.8.1

Вычислите следующие свёртки (используя свёртку ⊙\odot двух векторов, как определено в этом разделе: для a=(α0,…,αn−1)Ta = (\alpha_{0},\ldots ,\alpha_{n-1})^{T}, b=(β0,…,βn−1)Tb=(\beta_{0},\ldots ,\beta_{n-1})^{T}, вектор a⊙ba \odot b размера 2n2n, kk-й элемент которого равен ∑j=0kαjβk−j\sum_{j=0}^{k} \alpha_{j}\beta_{k-j}, с дополнением αi,βi=0\alpha_{i},\beta_{i}=0 при i≥ni \geq n).

?
(a)

(123)⊙(456)\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \\ 6 \end{pmatrix}.

(b)

(−101)⊙(10−1)\begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{pmatrix}.

(c)

(111)⊙(α0α1α2)\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} \odot \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \alpha_{1} \\ \alpha_{2} \end{pmatrix}.

Задача 5.8.2
?
(a)

Вычислите дискретное преобразование Фурье F4xF_{4}x для x=(1−i−1i)x = \begin{pmatrix} 1 \\ -i \\ -1 \\ i \end{pmatrix}.

(b)

Вычислите обратное преобразование F4−1xF_{4}^{-1}x для x=(1i−1−i)x = \begin{pmatrix} 1 \\ i \\ -1 \\ -i \end{pmatrix}.

Примечание.
?

Пример 5.8.1 даёт F4=(11111−i−1i1−11−11i−1−i)F_{4} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & -i & -1 & i \\ 1 & -1 & 1 & -1 \\ 1 & i & -1 & -i \end{pmatrix} и F4−1=14F4F_{4}^{-1} = \frac{1}{4}F_{4} (используя F4‾=F4−1⋅4\overline{F_{4}} = F_{4}^{-1}\cdot 4, т.е.F4−1F_{4}^{-1} имеет те же элементы, что и 14F4‾\frac{1}{4}\overline{F_{4}}, что в данном действительно-симметричном сопряжённом случае совпадает с 14F4\frac{1}{4}F_{4} с точностью до сопряжения каждого элемента).

Задача 5.8.3

Проверьте непосредственно, что F4=(F2D2F2F2−D2F2)P4F_{4} = \begin{pmatrix} F_{2} & D_{2}F_{2} \\ F_{2} & -D_{2}F_{2} \end{pmatrix} P_{4}, где F4,P4,D2F_{4}, P_{4}, D_{2} определены, как в разложении матрицы Фурье (5.8.15): для n=2rn=2^{r}, Fn=(Fn/2Dn/2Fn/2Fn/2−Dn/2Fn/2)PnF_{n} = \begin{pmatrix} F_{n/2} & D_{n/2}F_{n/2} \\ F_{n/2} & -D_{n/2}F_{n/2} \end{pmatrix}P_{n}, где Dn/2=diag⁡(1,ξ,ξ2,…,ξn/2−1)D_{n/2} = \operatorname {diag}(1,\xi ,\xi^{2},\ldots ,\xi^{n/2-1}) (ξ\xi — первообразный корень nn-й степени из единицы, используемый на протяжении всего раздела) и PnT=[e0  e2  e4  ⋯  en−2∣e1  e3  e5  ⋯  en−1]P_{n}^{T} = \left[e_{0}\; e_{2}\; e_{4}\; \cdots \; e_{n-2} \mid e_{1}\; e_{3}\; e_{5}\; \cdots \; e_{n-1}\right] — матрица перестановки чётных-нечётных индексов.

?
Задача 5.8.4

Используя следующие векторы, выполните указанные вычисления: a=(α0α1)a = \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \alpha_{1} \end{pmatrix}, b=(β0β1)b = \begin{pmatrix} \beta_{0} \\ \beta_{1} \end{pmatrix}, a^=(α0α100)\hat{a} = \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \alpha_{1} \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, b^=(β0β100)\hat{b} = \begin{pmatrix} \beta_{0} \\ \beta_{1} \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}.

?
(a)

Вычислите a⊙ba \odot b, F4(a⊙b)F_{4}(a \odot b) и (F4a^)×(F4b^)(F_{4}\hat{a}) \times (F_{4}\hat{b}) (где ×\times — покомпонентное произведение).

(b)

Используя F4−1F_{4}^{-1}, приведённую в примере 5.8.1, вычислите F4−1[(F4a^)×(F4b^)]F_{4}^{-1}\left[(F_{4}\hat{a}) \times (F_{4}\hat{b})\right]. Сравните результат с тем, что гарантирует теорема о свёртке.

Задача 5.8.5

Для p(x)=2x−3p(x) = 2x-3 и q(x)=3x−4q(x) = 3x-4 вычислите произведение p(x)q(x)p(x)q(x), используя теорему о свёртке.

?
Примечание.
?

Теорема о свёртке: для a,b∈Cna,b \in \mathbb {C}^{n} с дополненными нулями формами a^,b^∈C2n\hat{a},\hat{b} \in \mathbb {C}^{2n} и F=F2nF = F_{2n} выполняется F(a⊙b)=(Fa^)×(Fb^)F(a\odot b) = (F\hat{a}) \times (F\hat{b}), так что a⊙b=F−1[(Fa^)×(Fb^)]a \odot b = F^{-1}\left[(F\hat{a})\times (F\hat{b})\right]. По примеру 5.8.4, если p(x)=∑αkxkp(x)=\sum \alpha_{k}x^{k} и q(x)=∑βkxkq(x) = \sum \beta_{k}x^{k} (коэффициенты дополнены нулями до a,b∈Cna,b \in \mathbb {C}^{n}), то вектор коэффициентов p(x)q(x)p(x)q(x) в точности равен a⊙ba \odot b.

Задача 5.8.6

Используя свёртки, образуйте следующие произведения.

?
(a)

4310×211043_{10} \times 21_{10}.

(b)

1238×6018123_{8} \times 601_{8}.

(c)

10102×110121010_{2} \times 1101_{2}.

Примечание.
?

Интерпретация строки цифр числа по основанию bb как вектора коэффициентов многочлена, вычисленного в точке x=bx=b, сводит умножение к свёртке (пример 5.8.4), за которой следует перенос разрядов (замена k×bj=bj+1+(k−b)×bjk \times b^{j} = b^{j+1} + (k-b)\times b^{j} всюду, где цифра достигает основания bb или превышает его).

Задача 5.8.7

Пусть aa и bb — векторы размера n×1n \times 1, где nn — степень двойки.

?
(a)

Покажите, что число умножений, необходимых для получения a⊙ba \odot b по определению свёртки, равно n2n^{2}.

(b)

Покажите, что число умножений, необходимых для получения a⊙ba \odot b с помощью БПФ в сочетании с теоремой о свёртке, равно 3nlog⁡2n+7n3n\log_{2}n + 7n.

Примечание.
?

Для пункта (а): 1+2+⋯+k=k(k+1)/21+2+\cdots +k = k(k+1)/2. Для пункта (б): сравните построенный график 3nlog⁡2n3n\log_{2}n (отбросив менее значимое слагаемое 7n7n) с n2n^{2}, чтобы увидеть масштаб преимущества БПФ при больших nn.

Задача 5.8.8

Волновая форма, заданная конечной суммой x(τ)=∑k(αkcos⁡2πfkτ+βksin⁡2πfkτ)x(\tau ) = \sum_{k} (\alpha_{k}\cos 2\pi f_{k}\tau + \beta_{k}\sin 2\pi f_{k}\tau ), в которой fkf_{k} — целые числа и max⁡{fk}≤3\max \left\{ f_{k}\right\} \leq 3, отсчитывается в восьми равноотстоящих точках между τ=0\tau =0 и τ=1\tau =1. Пусть x=(x(0/8)x(1/8)x(2/8)x(3/8)x(4/8)x(5/8)x(6/8)x(7/8))Tx = \begin{pmatrix} x(0/8) & x(1/8) & x(2/8) & x(3/8) & x(4/8) & x(5/8) & x(6/8) & x(7/8) \end{pmatrix}^{T}, и пусть

y=14F8x=(0−5i1−3i4041+3i5i). y = \frac{1}{4}F_{8}x = \begin{pmatrix} 0 \\ -5i \\ 1-3i \\ 4 \\ 0 \\ 4 \\ 1+3i \\ 5i \end{pmatrix}.

Каково уравнение волновой формы?

?
Примечание.
?

Уравнения (5.8.7)-(5.8.8) показывают, что y=2nFnx=∑kαk(efk+en−fk)+i∑kβk(−efk+en−fk)y = \frac{2}{n}F_{n}x = \sum_{k} \alpha_{k}(e_{f_{k}}+e_{n-f_{k}}) + i\sum_{k} \beta_{k}(-e_{f_{k}}+e_{n-f_{k}}), так что каждая пара импульсов на индексах fkf_{k} и n−fkn-f_{k} в yy раскрывает αk\alpha_{k} (из суммы этих двух элементов) и βk\beta_{k} (из их разности, делённой на ii).

Задача 5.8.9

Докажите, что a⊙b=b⊙aa \odot b = b \odot a для всех a,b∈Cna, b \in \mathbb {C}^{n} — то есть свёртка является коммутативной операцией.

?
Задача 5.8.10

Для p(x)=∑k=0n−1αkxkp(x) = \sum_{k=0}^{n-1} \alpha_{k}x^{k} и корней nn-й степени из единицы ξk\xi^{k} пусть a=(α0α1⋯αn−1)Ta = \begin{pmatrix} \alpha_{0} & \alpha_{1} & \cdots & \alpha_{n-1} \end{pmatrix}^{T} и p=(p(1)p(ξ)⋯p(ξn−1))Tp = \begin{pmatrix} p(1) & p(\xi ) & \cdots & p(\xi^{n-1}) \end{pmatrix}^{T}. Объясните, почему Fna=pF_{n}a = p и a=Fn−1pa = F_{n}^{-1}p.

?
Задача 5.8.11

Для двух многочленов p(x)=∑k=0n−1αkxkp(x) = \sum_{k=0}^{n-1}\alpha_{k}x^{k} и q(x)=∑k=0n−1βkxkq(x) = \sum_{k=0}^{n-1}\beta_{k}x^{k} пусть p=(p(1)p(ξ)⋯p(ξ2n−1))Tp = \begin{pmatrix} p(1) & p(\xi ) & \cdots & p(\xi^{2n-1}) \end{pmatrix}^{T} и q=(q(1)q(ξ)⋯q(ξ2n−1))Tq = \begin{pmatrix} q(1) & q(\xi ) & \cdots & q(\xi^{2n-1}) \end{pmatrix}^{T}, где 1,ξ,ξ2,…,ξ2n−11,\xi ,\xi^{2},\ldots ,\xi^{2n-1} теперь — корни 2n2n-й степени из единицы. Объясните, почему коэффициенты произведения p(x)q(x)=γ0+γ1x+⋯+γ2n−2x2n−2p(x)q(x) = \gamma_{0}+\gamma_{1}x+\cdots +\gamma_{2n-2}x^{2n-2} должны задаваться формулой

(γ0γ1⋮)=F2n−1(p(1)q(1)p(ξ)q(ξ)⋮). \begin{pmatrix} \gamma _{0} \\ \gamma _{1} \\ \vdots \end{pmatrix} = F_{2n}^{-1}\begin{pmatrix} p(1)q(1) \\ p(\xi )q(\xi ) \\ \vdots \end{pmatrix}.
?
Задача 5.8.12

Циркулянтной матрицей называется квадратная матрица вида C=(c0cn−1cn−2⋯c1c1c0cn−1⋯c2c2c1c0⋯c3⋮⋮⋮⋮cn−1cn−2cn−3⋯c0)n×nC = \begin{pmatrix} c_{0} & c_{n-1} & c_{n-2} & \cdots & c_{1} \\ c_{1} & c_{0} & c_{n-1} & \cdots & c_{2} \\ c_{2} & c_{1} & c_{0} & \cdots & c_{3} \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ c_{n-1} & c_{n-2} & c_{n-3} & \cdots & c_{0} \end{pmatrix}_{n\times n} — то есть элементы каждого столбца совпадают с элементами предыдущего столбца, но сдвинуты на одну позицию вниз с циклическим переносом наверх; (j,k)(j,k)-й элемент равен cjk=cj−k(modn)c_{jk} = c_{j-k \pmod{n}}.

?
(a)

Если QQ — циркулянтная матрица, определённая как Q=(00⋯0110⋯0001⋯00⋮⋮⋱⋮⋮00⋯10)n×nQ = \begin{pmatrix} 0 & 0 & \cdots & 0 & 1 \\ 1 & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & 0 \end{pmatrix}_{n\times n}, и если p(x)=c0+c1x+⋯+cn−1xn−1p(x) = c_{0}+c_{1}x+\cdots +c_{n-1}x^{n-1}, проверьте, что C=p(Q)=c0I+c1Q+⋯+cn−1Qn−1C = p(Q) = c_{0}I + c_{1}Q + \cdots + c_{n-1}Q^{n-1}.

(b)

Объясните, почему матрица Фурье порядка nn диагонализует QQ в том смысле, что FQF−1=D=diag⁡(1,ξ,…,ξn−1)FQF^{-1} = D = \operatorname {diag}(1,\xi ,\ldots ,\xi^{n-1}), где ξk\xi^{k} — корни nn-й степени из единицы.

(c)

Докажите, что матрица Фурье порядка nn диагонализует любой циркулянт размера n×nn \times n в том смысле, что FCF−1=diag⁡(p(1),p(ξ),…,p(ξn−1))FCF^{-1} = \operatorname {diag}(p(1),p(\xi ),\ldots ,p(\xi^{n-1})), где p(x)=c0+c1x+⋯+cn−1xn−1p(x) = c_{0}+c_{1}x+\cdots +c_{n-1}x^{n-1}.

(d)

Если C1C_{1} и C2C_{2} — произвольная пара циркулянтов размера n×nn\times n, объясните, почему C1C2=C2C1C_{1}C_{2} = C_{2}C_{1} — то есть все циркулянты коммутируют друг с другом.

Задача 5.8.13

Для невырожденного циркулянта Cn×nC_{n\times n} объясните, как использовать алгоритм БПФ для эффективного выполнения следующих операций.

?
(a)

Решить систему Cx=bCx = b.

(b)

Вычислить C−1C^{-1}.

(c)

Перемножить два циркулянта C1C2C_{1}C_{2}.

Задача 5.8.14

Для векторов a=(α0α1⋮αn−1)a = \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \alpha_{1} \\ \vdots \\ \alpha_{n-1} \end{pmatrix}, b=(β0β1⋮βn−1)b = \begin{pmatrix} \beta_{0} \\ \beta_{1} \\ \vdots \\ \beta_{n-1} \end{pmatrix}, a^=(α0⋮αn−10⋮0)2n×1\hat{a} = \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \vdots \\ \alpha_{n-1} \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{pmatrix}_{2n \times 1} и b^=(β0⋮βn−10⋮0)2n×1\hat{b} = \begin{pmatrix} \beta_{0} \\ \vdots \\ \beta_{n-1} \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{pmatrix}_{2n \times 1}, пусть CC — циркулянтная матрица размера 2n×2n2n\times 2n (упражнение 5.8.12), первый столбец которой равен a^\hat{a}.

?
(a)

Покажите, что операцию свёртки можно описать как произведение матрицы на вектор, продемонстрировав, что a⊙b=Cb^a \odot b = C\hat{b}.

(b)

Используйте это соотношение, чтобы дать альтернативное доказательство теоремы о свёртке.

Задача 5.8.15

Кронекеровым произведением двух матриц Am×nA_{m\times n} и Bp×qB_{p\times q} называется матрица размера mp×nqmp \times nq вида A⊗B=(a11Ba12B⋯a1nBa21Ba22B⋯a2nB⋮⋮⋮am1Bam2B⋯amnB)A \otimes B = \begin{pmatrix} a_{11}B & a_{12}B & \cdots & a_{1n}B \\ a_{21}B & a_{22}B & \cdots & a_{2n}B \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m1}B & a_{m2}B & \cdots & a_{mn}B \end{pmatrix}, удовлетворяющая A⊗(B⊗C)=(A⊗B)⊗CA\otimes (B\otimes C) = (A\otimes B)\otimes C и (A⊗B)(C⊗D)=AC⊗BD(A\otimes B)(C\otimes D) = AC\otimes BD (когда ACAC и BDBD определены).

?
(a)

Если n=2rn=2^{r}, и если PnP_{n} — матрица чёт-нечётной перестановки из разложения матрицы Фурье (5.8.15), объясните, почему Rn=(I2r−1⊗P21)(I2r−2⊗P22)⋯(I21⊗P2r−1)(I20⊗P2r)R_{n} = (I_{2^{r-1}}\otimes P_{2^{1}})(I_{2^{r-2}}\otimes P_{2^{2}})\cdots (I_{2^{1}}\otimes P_{2^{r-1}})(I_{2^{0}}\otimes P_{2^{r}}) является матрицей перестановки, соответствующей перестановке с обращением битов (perfect shuffle).

(b)

Пусть n=2rn=2^{r}, и положим Bn=(In/2Dn/2In/2−Dn/2)B_{n} = \begin{pmatrix} I_{n/2} & D_{n/2} \\ I_{n/2} & -D_{n/2} \end{pmatrix}. Согласно (5.8.15), матрицу Фурье можно записать как Fn=Bn(I2⊗Fn/2)PnF_{n} = B_{n}(I_{2}\otimes F_{n/2})P_{n}. Докажите, что FnF_{n} можно разложить как Fn=LnRnF_{n} = L_{n}R_{n}, где Ln=(I20⊗B2r)(I21⊗B2r−1)⋯(I2r−2⊗B22)(I2r−1⊗B21)L_{n} = (I_{2^{0}}\otimes B_{2^{r}})(I_{2^{1}}\otimes B_{2^{r-1}})\cdots (I_{2^{r-2}}\otimes B_{2^{2}})(I_{2^{r-1}}\otimes B_{2^{1}}), а RnR_{n} — перестановка с обращением битов из пункта (а).

Примечание.
?

Это означает, что Fnx=LnRnxF_{n}x = L_{n}R_{n}x: дискретное преобразование Фурье вектора xx получается сначала выполнением перестановки с обращением битов, а затем применением rr последовательных членов LnL_{n} — это и есть алгоритм БПФ в разложенной форме.

Задача 5.8.16

Для p(x)=α0+α1x+α2x2+⋯+αn−1xn−1p(x) = \alpha_{0}+\alpha_{1}x+\alpha_{2}x^{2}+\cdots +\alpha_{n-1}x^{n-1} докажите, что

1n∑k=0n−1∣p(ξk)∣2=∣α0∣2+∣α1∣2+⋯+∣αn−1∣2, \frac{1}{n}\sum _{k=0}^{n-1} \left|p(\xi ^{k})\right|^{2} = \left|\alpha _{0}\right|^{2}+\left|\alpha _{1}\right|^{2}+\cdots +\left|\alpha _{n-1}\right|^{2},

где 1,ξ,ξ2,…,ξn−11,\xi ,\xi^{2},\ldots ,\xi^{n-1} — корни nn-й степени из единицы.

?
Задача 5.8.17

Рассмотрим сигнал, заданный конечной суммой x(τ)=∑k(αkcos⁡2πfkτ+βksin⁡2πfkτ)x(\tau ) = \sum_{k}(\alpha_{k}\cos 2\pi f_{k}\tau + \beta_{k}\sin 2\pi f_{k}\tau ), в которой fkf_{k} — различные целые числа, и пусть x=∑k(αkcos⁡2πfkt+βksin⁡2πfkt)x = \sum_{k}(\alpha_{k}\cos 2\pi f_{k}t + \beta_{k}\sin 2\pi f_{k}t) — вектор, содержащий значения x(τ)x(\tau ) в n>2max⁡{fk}n > 2\max \left\{ f_{k}\right\} равноотстоящих точках между τ=0\tau =0 и τ=1\tau =1 (пример 5.8.3). Используя дискретное преобразование Фурье, докажите, что

∥x∥22=n2∑k(αk2+βk2). \left\| x\right\| _{2}^{2} = \frac{n}{2}\sum _{k}\left(\alpha _{k}^{2}+\beta _{k}^{2}\right).
?
Примечание.
?

Формула (5.8.7): 2nFnx=∑kαk(efk+en−fk)+i∑kβk(−efk+en−fk)\frac{2}{n}F_{n}x = \sum_{k} \alpha_{k}(e_{f_{k}}+e_{n-f_{k}}) + i\sum_{k}\beta_{k}(-e_{f_{k}}+e_{n-f_{k}}).

Задача 5.8.18

Пусть η\eta — произвольный скаляр, и пусть c=(1ηη2⋮η2n−1)c = \begin{pmatrix} 1 \\ \eta \\ \eta^{2} \\ \vdots \\ \eta^{2n-1} \end{pmatrix} и a=(α0α1⋮αn−1)a = \begin{pmatrix} \alpha_{0} \\ \alpha_{1} \\ \vdots \\ \alpha_{n-1} \end{pmatrix}. Докажите, что cT(a⊙a)=(cTa^)2c^{T}(a \odot a) = \left(c^{T}\hat{a}\right)^{2}.

?
Примечание.
?

Пример 5.8.4: если p(x)=∑k=0n−1αkxkp(x) = \sum_{k=0}^{n-1} \alpha_{k}x^{k}, то p(x)2=∑k=02n−2[a⊙a]kxkp(x)^{2} = \sum_{k=0}^{2n-2} \left[a\odot a\right]_{k} x^{k}.

Задача 5.8.19

Примените алгоритм БПФ к вектору x8=(x0x1⋮x7)x_{8} = \begin{pmatrix} x_{0} \\ x_{1} \\ \vdots \\ x_{7} \end{pmatrix}, а затем проверьте, что ваш ответ согласуется с результатом, полученным непосредственным вычислением F8x8F_{8}x_{8}.

?
§
Задача 5.9.1

Пусть XX и YY — подпространства R3\mathbb {R}^{3}, базисами которых служат соответственно BX={(111),(122)}B_{X} = \left\{ \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 2 \end{pmatrix}\right\} и BY={(123)}B_{Y} = \left\{ \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}\right\}.

?
(a)

Объясните, почему XX и YY являются дополнительными подпространствами R3\mathbb {R}^{3}.

(b)

Найдите проектор PP на XX вдоль YY, а также дополнительный проектор QQ на YY вдоль XX.

(c)

Найдите проекцию v=(2−11)v = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix} на YY вдоль XX.

(d)

Проверьте, что PP и QQ оба идемпотентны.

(e)

Проверьте, что R(P)=X=N(Q)\mathcal{R}(P) = X = \mathcal{N}(Q) и N(P)=Y=R(Q)\mathcal{N}(P) = Y = \mathcal{R}(Q).

Примечание.
?

(5.9.4): X,YX, Y (с базисами BX,BYB_{X},B_{Y}) являются дополнительными подпространствами VV тогда и только тогда, когда BX∩BY=∅B_{X}\cap B_{Y}=\emptyset и BX∪BYB_{X}\cup B_{Y} — базис VV. (5.9.12): если столбцы X,YX,Y (матриц) — базисы X,YX,Y, то проектор на XX вдоль YY равен P=[X∣0][X∣Y]−1P = \left[X\mid 0\right]\left[X\mid Y\right]^{-1}.

Задача 5.9.2

Постройте пример пары нетривиальных дополнительных подпространств R5\mathbb {R}^{5} и объясните, почему ваш пример подходит.

?
Задача 5.9.3

Постройте пример, показывающий, что если V=X+YV = X+Y, но X∩Y≠0X \cap Y \neq 0, то вектор v∈Vv \in V может иметь два разных представления v=x1+y1v = x_{1}+y_{1} и v=x2+y2v = x_{2}+y_{2}, где x1,x2∈Xx_{1},x_{2} \in X и y1,y2∈Yy_{1},y_{2} \in Y, но x1≠x2x_{1} \neq x_{2} и y1≠y2y_{1} \neq y_{2}.

?
Задача 5.9.4

Объясните, почему Rn×n=S⊕K\mathbb {R}^{n \times n} = S \oplus K, где SS и KK — подпространства симметричных и кососимметричных матриц размера n×nn\times n соответственно. Чему равна проекция A=(123456789)A = \begin{pmatrix} 1& 2& 3 \\ 4& 5& 6 \\ 7& 8& 9 \end{pmatrix} на SS вдоль KK?

?
Примечание.
?

Упражнение 3.2.6 показывает, что каждая матрица A∈Rn×nA \in \mathbb {R}^{n\times n} обладает единственным разложением A=A+AT2+A−AT2A = \frac{A+A^{T}}{2} + \frac{A-A^{T}}{2} — суммой симметричной и кососимметричной матриц.

Задача 5.9.5

Для произвольного векторного пространства пусть XX и YY — два подпространства с базисами BX={x1,…,xm}B_{X} = \left\{ x_{1},\ldots ,x_{m}\right\} и BY={y1,…,yn}B_{Y} = \left\{ y_{1},\ldots ,y_{n}\right\} соответственно.

?
(a)

Докажите, что X∩Y=0X \cap Y = 0 тогда и только тогда, когда множество {x1,…,xm,y1,…,yn}\left\{ x_{1},\ldots ,x_{m},y_{1},\ldots ,y_{n}\right\} линейно независимо.

(b)

Следует ли из линейной независимости BX∪BYB_{X}\cup B_{Y}, что X∩Y=0X \cap Y = 0?

(c)

Если BX∪BYB_{X}\cup B_{Y} — линейно независимое множество, следует ли отсюда, что XX и YY являются дополнительными подпространствами? Почему?

Задача 5.9.6

Пусть PP — проектор, определённый на векторном пространстве VV. Докажите, что образ проектора есть множество его «неподвижных точек», т.е. R(P)={x∈V∣Px=x}\mathcal{R}(P) = \left\{ x \in V \mid Px=x\right\}.

?
Задача 5.9.7

Предположим, что V=X⊕YV = X\oplus Y, и пусть PP — проектор на XX вдоль YY. Докажите, что R(P)=N(I−P)=X\mathcal{R}(P) = \mathcal{N}(I-P) = X и R(I−P)=N(P)=Y\mathcal{R}(I-P) = \mathcal{N}(P) = Y.

?
Задача 5.9.8

Объясните, почему ∥P∥2≥1\left\| P\right\|_{2} \geq 1 для любого проектора P≠0P \neq 0. Когда ∥P∥2=1\left\| P\right\|_{2} = 1?

?
Примечание.
?

Для проектора PP с R(P)=R\mathcal{R}(P)=R, N(P)=N\mathcal{N}(P)=N угол θ\theta между RR и NN («минимальный угол», (5.9.16)) удовлетворяет sin⁡θ=1/∥P∥2\sin \theta = 1/\left\| P\right\|_{2} (уравнение (5.9.18)).

Задача 5.9.9

Объясните, почему ∥I−P∥2=∥P∥2\left\| I-P\right\|_{2} = \left\| P\right\|_{2} для всех проекторов, не равных нулю и не равных тождественному оператору.

?
Задача 5.9.10

Докажите, что если u,v∈Rnu,v \in \mathbb {R}^{n} — векторы, такие что vTu=1v^{T}u=1, то ∥I−uvT∥2=∥uvT∥2=∥u∥2∥v∥2=∥uvT∥F\left\| I-uv^{T}\right\|_{2} = \left\| uv^{T}\right\|_{2} = \left\| u\right\|_{2}\left\| v\right\|_{2} = \left\| uv^{T}\right\|_{F}.

?
Задача 5.9.11

Предположим, что XX и YY — дополнительные подпространства Rn\mathbb {R}^{n}, и пусть B=[X∣Y]B = \left[X \mid Y\right] — невырожденная матрица, столбцы XX и YY которой образуют соответствующие базисы XX и YY. Для произвольного вектора v∈Rnv \in \mathbb {R}^{n} объясните, почему проекцию vv на XX вдоль YY можно получить следующим двухшаговым процессом.

  1. Решить систему Bz=vBz=v относительно zz.

  2. Разбить zz на блоки z=(z1z2)z = \begin{pmatrix} z_{1} \\ z_{2} \end{pmatrix} и положить p=Xz1p = Xz_{1}.

?
Задача 5.9.12

Пусть PP и QQ — проекторы.

?
(a)

Докажите, что R(P)=R(Q)\mathcal{R}(P) = \mathcal{R}(Q) тогда и только тогда, когда PQ=QPQ=Q и QP=PQP=P.

(b)

Докажите, что N(P)=N(Q)\mathcal{N}(P) = \mathcal{N}(Q) тогда и только тогда, когда PQ=PPQ=P и QP=QQP=Q.

(c)

Докажите, что если E1,E2,…,EkE_{1},E_{2},\ldots ,E_{k} — проекторы с одним и тем же образом, а α1,…,αk\alpha_{1},\ldots ,\alpha_{k} — скаляры такие, что ∑jαj=1\sum_{j}\alpha_{j}=1, то ∑jαjEj\sum_{j}\alpha_{j}E_{j} является проектором.

Задача 5.9.13

Докажите, что rk⁡(P)=trace⁡(P)\operatorname {rk}\left(P\right) = \operatorname {trace}(P) для каждого проектора PP, определённого на Rn\mathbb {R}^{n}.

?
Задача 5.9.14

Пусть {Xi}i=1k\left\{ X_{i}\right\}_{i=1}^{k} — набор подпространств векторного пространства VV, и пусть BiB_{i} обозначает базис для XiX_{i}. Докажите, что следующие утверждения эквивалентны.

  1. V=X1+X2+⋯+XkV = X_{1}+X_{2}+\cdots +X_{k} и Xj∩(X1+⋯+Xj−1)=0X_{j}\cap (X_{1}+\cdots +X_{j-1})=0 для каждого j=2,3,…,kj=2,3,\ldots ,k.

  2. Для каждого вектора v∈Vv \in V существует один и только один способ записать v=x1+x2+⋯+xkv = x_{1}+x_{2}+\cdots +x_{k}, где xi∈Xix_{i}\in X_{i}.

  3. B=B1∪B2∪⋯∪BkB = B_{1}\cup B_{2}\cup \cdots \cup B_{k}, где Bi∩Bj=∅B_{i}\cap B_{j}=\emptyset при i≠ji\neq j, является базисом для VV.

?
Примечание.
?

Если верно любое из этих утверждений, то говорят, что VV является прямой суммой XiX_{i}, что записывается как V=X1⊕X2⊕⋯⊕XkV = X_{1}\oplus X_{2}\oplus \cdots \oplus X_{k}. При k=2k=2 утверждение (i) и (5.9.1) говорят одно и то же, а (ii), (iii) сводятся к (5.9.3), (5.9.4) соответственно.

Задача 5.9.15

Для дополнительных подпространств XX и YY пространства Rn\mathbb {R}^{n} пусть PP — проектор на XX вдоль YY, и пусть Q=[X∣Y]Q = \left[X\mid Y\right], где столбцы XX и YY составляют базисы для XX и YY соответственно. Докажите, что если Q−1An×nQQ^{-1}A_{n\times n}Q разбито на блоки как Q−1AQ=(A11A12A21A22)Q^{-1}AQ = \begin{pmatrix} A_{11}& A_{12} \\ A_{21}& A_{22} \end{pmatrix}, то

Q(A11000)Q−1=PAP,Q(0A1200)Q−1=PA(I−P),Q(00A210)Q−1=(I−P)AP,Q(000A22)Q−1=(I−P)A(I−P). Q\begin{pmatrix} A_{11}& 0 \\ 0& 0 \end{pmatrix}Q^{-1} = PAP, \quad Q\begin{pmatrix} 0& A_{12} \\ 0& 0 \end{pmatrix}Q^{-1} = PA(I-P), \quad Q\begin{pmatrix} 0& 0 \\ A_{21}& 0 \end{pmatrix}Q^{-1} = (I-P)AP, \quad Q\begin{pmatrix} 0& 0 \\ 0& A_{22} \end{pmatrix}Q^{-1} = (I-P)A(I-P).
?
Примечание.
?

Это означает, что если AA — линейный оператор на Rn\mathbb {R}^{n}, а B=BX∪BYB = B_{X}\cup B_{Y} (базисы, составляющие столбцы X,YX,Y), то матричное представление AA относительно BB имеет вид [A]B=(A11A12A21A22)[A]_{B} = \begin{pmatrix} A_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22} \end{pmatrix}, где A11=[PAP/X]BXA_{11} = \left[PA P/X\right]_{B_{X}}, A12=[PA(I−P)/Y]BYBXA_{12} = \left[PA(I-P)/Y\right]_{B_{Y}B_{X}}, A21=[(I−P)AP/X]BXBYA_{21} = \left[(I-P)AP/X\right]_{B_{X}B_{Y}}, A22=[(I−P)A(I−P)/Y]BYA_{22} = \left[(I-P)A(I-P)/Y\right]_{B_{Y}} (каждая из них — матричное представление ограниченного оператора).

Задача 5.9.16

Предположим, что Rn=X⊕Y\mathbb {R}^{n} = X\oplus Y, где dim⁡X=r\dim X = r, и пусть PP — проектор на XX вдоль YY. Объясните, почему существуют матрицы Xn×rX_{n\times r} и Ar×nA_{r\times n} такие, что P=XAP = XA, где rk⁡(X)=rk⁡(A)=r\operatorname {rk}\left(X\right)=\operatorname {rk}\left(A\right)=r и AX=IrAX = I_{r}.

?
Примечание.
?

Это факторизация полного ранга для PP (упражнение 3.9.8).

Задача 5.9.17

Для вещественного или комплексного векторного пространства пусть EE — проектор на X1X_{1} вдоль Y1Y_{1}, а FF — проектор на X2X_{2} вдоль Y2Y_{2}. Докажите, что E+FE+F является проектором тогда и только тогда, когда EF=FE=0EF=FE=0, и при этом условии докажите, что R(E+F)=X1⊕X2\mathcal{R}(E+F) = X_{1}\oplus X_{2} и N(E+F)=Y1∩Y2\mathcal{N}(E+F) = Y_{1}\cap Y_{2}.

?
Задача 5.9.18

Для вещественного или комплексного векторного пространства пусть EE — проектор на X1X_{1} вдоль Y1Y_{1}, а FF — проектор на X2X_{2} вдоль Y2Y_{2}. Докажите, что E−FE-F является проектором тогда и только тогда, когда EF=FE=FEF=FE=F, и при этом условии докажите, что R(E−F)=X1∩Y2\mathcal{R}(E-F) = X_{1}\cap Y_{2} и N(E−F)=Y1⊕X2\mathcal{N}(E-F) = Y_{1}\oplus X_{2}.

?
Задача 5.9.19

Для вещественного или комплексного векторного пространства пусть EE — проектор на X1X_{1} вдоль Y1Y_{1}, а FF — проектор на X2X_{2} вдоль Y2Y_{2}. Докажите, что если EF=P=FEEF=P=FE, то PP является проектором на X1∩X2X_{1}\cap X_{2} вдоль Y1+Y2Y_{1}+Y_{2}.

?
Задача 5.9.20

Внутренним псевдообратным для Am×nA_{m\times n} называется матрица Xn×mX_{n\times m} такая, что AXA=AAXA=A, а внешним псевдообратным для AA называется матрица XX, удовлетворяющая XAX=XXAX=X. Если XX является одновременно внутренним и внешним псевдообратным, XX называется рефлексивным псевдообратным.

?
(a)

Если Ax=bAx=b — совместная система из mm уравнений с nn неизвестными, а A−A^{-} — любой внутренний псевдообратный для AA, объясните, почему множество всех решений системы Ax=bAx=b можно записать как A−b+R(I−A−A)={A−b+(I−A−A)h∣h∈Rn}A^{-}b + \mathcal{R}(I-A^{-}A) = \left\{ A^{-}b + (I-A^{-}A)h \mid h \in \mathbb {R}^{n}\right\}.

(b)

Пусть MM и LL — соответствующие дополнения R(A)\mathcal{R}(A) и N(A)\mathcal{N}(A), так что Cm=R(A)⊕M\mathbb {C}^{m} = \mathcal{R}(A)\oplus M и Cn=L⊕N(A)\mathbb {C}^{n} = L\oplus \mathcal{N}(A). Докажите, что существует единственный рефлексивный псевдообратный XX для AA такой, что R(X)=L\mathcal{R}(X) = L и N(X)=M\mathcal{N}(X) = M. Покажите, что X=QA−PX = QA^{-}P, где A−A^{-} — любой внутренний псевдообратный для AA, PP — проектор на R(A)\mathcal{R}(A) вдоль MM, а QQ — проектор на LL вдоль N(A)\mathcal{N}(A).

§
Задача 5.10.1

Если AA — квадратная матрица индекса k>0k>0, докажите, что index⁡(Ak)=1\operatorname {index}(A^{k})=1.

?
Задача 5.10.2

Если AA — нильпотентная матрица индекса kk, опишите компоненты разложения AA на невырожденную и нильпотентную части.

?
Задача 5.10.3

Докажите, что если AA — симметричная матрица, то index⁡(A)≤1\operatorname {index}(A) \leq 1.

?
Задача 5.10.4

Матрица A∈Cn×nA \in \mathbb {C}^{n\times n} называется нормальной, если AA∗=A∗AAA^{*}=A^{*}A. Докажите, что если AA нормальна, то index⁡(A)≤1\operatorname {index}(A) \leq 1.

?
Примечание.
?

Все симметричные матрицы нормальны, так что этот результат включает упражнение 5.10.3 как частный случай.

Задача 5.10.5

Найдите разложение на невырожденную и нильпотентную части, а также псевдообратную Дрэзина для A=(−20−4424322)A = \begin{pmatrix} -2& 0& -4 \\ 4& 2& 4 \\ 3& 2& 2 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.10.6

Для квадратной матрицы AA любой скаляр λ\lambda, при котором A−λIA-\lambda I вырождена, называется собственным значением AA. Индекс собственного значения λ\lambda определяется как index⁡(λ)=index⁡(A−λI)\operatorname {index}(\lambda ) = \operatorname {index}(A-\lambda I). Определите собственные значения и индекс каждого собственного значения для следующих матриц:

?
(a)

J=(1000001000001000002000002)J = \begin{pmatrix} 1& 0& 0& 0& 0 \\ 0& 1& 0& 0& 0 \\ 0& 0& 1& 0& 0 \\ 0& 0& 0& 2& 0 \\ 0& 0& 0& 0& 2 \end{pmatrix}.

(b)

J=(1100001100001000002100002)J = \begin{pmatrix} 1& 1& 0& 0& 0 \\ 0& 1& 1& 0& 0 \\ 0& 0& 1& 0& 0 \\ 0& 0& 0& 2& 1 \\ 0& 0& 0& 0& 2 \end{pmatrix}.

Задача 5.10.7

Пусть PP — проектор, отличный от единичной матрицы.

?
(a)

Объясните, почему index⁡(P)=1\operatorname {index}(P)=1. Чему равен индекс II?

(b)

Определите разложение PP на невырожденную и нильпотентную части.

Задача 5.10.8

Пусть NN — нильпотентная матрица индекса kk, и пусть xx — такой вектор, что Nk−1x≠0N^{k-1}x \neq 0. Докажите, что множество C={x,Nx,N2x,…,Nk−1x}C = \left\{ x, Nx, N^{2}x, \ldots , N^{k-1}x\right\} линейно независимо.

?
Задача 5.10.9

Пусть AA — квадратная матрица индекса kk, и пусть b∈R(Ak)b \in \mathcal{R}(A^{k}).

?
(a)

Объясните, почему линейная система Ax=bAx=b обязательно совместна.

(b)

Объясните, почему x=ADbx=A^{D}b — единственное решение в R(Ak)\mathcal{R}(A^{k}).

(c)

Объясните, почему общее решение задаётся выражением ADb+N(A)A^{D}b + \mathcal{N}(A).

Задача 5.10.10

Предположим, что AA — квадратная матрица индекса kk, и пусть ADA^{D} — псевдообратная Дрэзина матрицы AA. Объясните, почему AADAA^{D} является проектором на R(Ak)\mathcal{R}(A^{k}) вдоль N(Ak)\mathcal{N}(A^{k}). На что и вдоль чего проектирует I−AADI-AA^{D}?

?
Задача 5.10.11

Алгебраическая группа — это множество GG вместе с ассоциативной операцией между его элементами, такой что GG замкнуто относительно этой операции; GG обладает единичным элементом EE (единственным); и каждый элемент A∈GA \in G имеет обратный A#A^{\# } (единственный). Матричная группа — это множество квадратных матриц, образующее алгебраическую группу относительно обычного матричного умножения.

?
(a)

Покажите, что множество невырожденных матриц размера n×nn\times n является матричной группой.

(b)

Покажите, что множество унитарных матриц размера n×nn\times n является подгруппой невырожденных матриц размера n×nn\times n.

(c)

Покажите, что множество G={(αααα)  |  α≠0}G = \left\{ \begin{pmatrix} \alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha \end{pmatrix} \; \middle |\; \alpha \neq 0\right\} является матричной группой. В частности, как выглядит единичный элемент E∈GE \in G и как выглядит обратный A#A^{\# } элемента A∈GA \in G?

Примечание.
?

Эти аксиомы по существу совпадают с (A1), (A2), (A4), (A5) в определении векторного пространства.

Задача 5.10.12

Для сингулярных матриц докажите, что следующие утверждения эквивалентны.

?
(a)

AA — групповая матрица (т.е. AA принадлежит некоторой матричной группе).

(b)

R(A)∩N(A)=0\mathcal{R}(A) \cap \mathcal{N}(A) = 0.

(c)

R(A)\mathcal{R}(A) и N(A)\mathcal{N}(A) — дополнительные подпространства.

(d)

index⁡(A)=1\operatorname {index}(A) = 1.

(e)

Существуют невырожденные матрицы Qn×nQ_{n\times n} и Cr×rC_{r\times r} такие, что Q−1AQ=(Cr×r000)Q^{-1}AQ = \begin{pmatrix} C_{r\times r}& 0 \\ 0& 0 \end{pmatrix}, где r=rk⁡(A)r = \operatorname {rk}\left(A\right).

Задача 5.10.13

Пусть A∈GA \in G для некоторой матричной группы GG.

?
(a)

Покажите, что единичный элемент E∈GE \in G является проектором на R(A)\mathcal{R}(A) вдоль N(A)\mathcal{N}(A), доказав, что EE должен иметь вид E=Q(Ir×r000)Q−1E = Q\begin{pmatrix} I_{r\times r}& 0 \\ 0& 0 \end{pmatrix}Q^{-1}.

(b)

Покажите, что групповой обратный к AA (обратный к AA в GG) должен иметь вид A#=Q(C−1000)Q−1A^{\# } = Q\begin{pmatrix} C^{-1}& 0 \\ 0& 0 \end{pmatrix}Q^{-1}.

§
Задача 5.11.1

Проверьте теорему об ортогональном разложении для A=(211−1−10−2−1−1)A = \begin{pmatrix} 2& 1& 1 \\ -1& -1& 0 \\ -2& -1& -1 \end{pmatrix}.

?
Примечание.
?

Теорема об ортогональном разложении: для A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n} выполняется R(A)⊥=N(AT)\mathcal{R}(A)^{\perp } = \mathcal{N}(A^{T}) и N(A)⊥=R(AT)\mathcal{N}(A)^{\perp } = \mathcal{R}(A^{T}), так что Rm=R(A)⊕N(AT)\mathbb {R}^{m} = \mathcal{R}(A)\oplus \mathcal{N}(A^{T}) и Rn=N(A)⊕R(AT)\mathbb {R}^{n} = \mathcal{N}(A)\oplus \mathcal{R}(A^{T}).

Задача 5.11.2

Для пространства со скалярным произведением VV, чему равно V⊥V^{\perp }? Чему равно 0⊥0^{\perp }?

?
Задача 5.11.3

Найдите базис ортогонального дополнения к M=⟨(1203),(2416)⟩M = \left\langle \begin{pmatrix} 1\\ 2\\ 0\\ 3 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 2\\ 4\\ 1\\ 6 \end{pmatrix}\right\rangle.

?
Задача 5.11.4

Для любого пространства со скалярным произведением VV докажите, что если M⊆VM \subseteq V, то M⊥M^{\perp } является подпространством в VV.

?
Задача 5.11.5

Если MM и NN — подпространства nn-мерного пространства со скалярным произведением, докажите, что следующие утверждения верны.

?
(a)

M⊆N  ⟹  N⊥⊆M⊥M \subseteq N \implies N^{\perp } \subseteq M^{\perp }.

(b)

(M+N)⊥=M⊥∩N⊥(M+N)^{\perp } = M^{\perp }\cap N^{\perp }.

(c)

(M∩N)⊥=M⊥+N⊥(M\cap N)^{\perp } = M^{\perp }+N^{\perp }.

Задача 5.11.6

Объясните, почему теорема о ранге и дефекте является следствием теоремы об ортогональном разложении.

?
Задача 5.11.7

Пусть A=URVTA = URV^{T} — URV-разложение матрицы размера m×nm\times n ранга rr, и пусть UU разбита на блоки U=[U1∣U2]U = \left[U_{1}\mid U_{2}\right], где U1U_{1} имеет размер m×rm\times r. Докажите, что P=U1U1TP = U_{1}U_{1}^{T} — проектор на R(A)\mathcal{R}(A) вдоль N(AT)\mathcal{N}(A^{T}).

?
Примечание.
?

В этом случае PP называется ортогональным проектором, поскольку его образ ортогонален его ядру. Чему равен ортогональный проектор на N(AT)\mathcal{N}(A^{T}) вдоль R(A)\mathcal{R}(A)?

Задача 5.11.8

Используя метод редукции Хаусхолдера, вычислите URV-разложение, а также ортонормированные базисы четырёх фундаментальных подпространств для A=(−4−2−4−22−221−41−4−2)A = \begin{pmatrix} -4& -2& -4& -2 \\ 2& -2& 2& 1 \\ -4& 1& -4& -2 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.11.9

Вычислите URV-разложение для матрицы из упражнения 5.11.8, используя элементарные преобразования строк вместе с ортогонализацией Грама—Шмидта. Совпадают ли результаты с результатами упражнения 5.11.8?

?
Задача 5.11.10

Для матрицы AA из упражнения 5.11.8 найдите векторы x∈R(A)x \in \mathcal{R}(A) и y∈N(AT)y \in \mathcal{N}(A^{T}) такие, что v=x+yv = x+y, где v=(333)Tv = \begin{pmatrix} 3& 3& 3 \end{pmatrix}^{T}. Существует ли более одного выбора для xx и yy?

?
Задача 5.11.11

Постройте квадратную матрицу такую, что R(A)∩N(A)=0\mathcal{R}(A)\cap \mathcal{N}(A) = 0, но R(A)\mathcal{R}(A) не ортогонально N(A)\mathcal{N}(A).

?
Задача 5.11.12

Для сингулярной An×nA_{n\times n} объясните, почему R(A)⊥N(A)\mathcal{R}(A)\perp \mathcal{N}(A) влечёт index⁡(A)=1\operatorname {index}(A)=1, но не наоборот.

?
Задача 5.11.13

Докажите, что вещественно-симметричная матрица   ⟹  \implies эрмитова   ⟹  \implies нормальная   ⟹  \implies (комплексная) RPN (т.е. R(A)⊥N(A)\mathcal{R}(A) \perp \mathcal{N}(A)). Постройте примеры, показывающие, что ни одна из импликаций необратима.

?
Задача 5.11.14

Пусть AA — нормальная матрица.

?
(a)

Докажите, что R(A−λI)⊥N(A−λI)\mathcal{R}(A-\lambda I) \perp \mathcal{N}(A-\lambda I) для любого скаляра λ\lambda.

(b)

Пусть λ\lambda и μ\mu — скаляры, такие что A−λIA-\lambda I и A−μIA-\mu I — сингулярные матрицы (собственные значения AA). Докажите, что если λ≠μ\lambda \neq \mu, то N(A−λI)⊥N(A−μI)\mathcal{N}(A-\lambda I) \perp \mathcal{N}(A-\mu I).

§
Задача 5.12.1

Следуя выводу из текста, найдите SVD для C=(−4−63−8)C = \begin{pmatrix} -4& -6 \\ 3& -8 \end{pmatrix}.

?
Задача 5.12.2

Если σ1≥σ2≥⋯≥σr\sigma_{1}\geq \sigma_{2}\geq \cdots \geq \sigma_{r} — ненулевые сингулярные числа матрицы AA, то можно показать, что функция νk(A)=(σ12+σ22+⋯+σk2)1/2\nu_{k}(A) = \left(\sigma_{1}^{2}+\sigma_{2}^{2}+\cdots +\sigma_{k}^{2}\right)^{1/2} задаёт унитарно инвариантную норму (упражнение 5.6.9) на Rm×n\mathbb {R}^{m\times n} (или Cm×n\mathbb {C}^{m\times n}) для каждого k=1,2,…,rk=1,2,\ldots ,r. Объясните, почему 2-норма и норма Фробениуса являются крайними случаями в том смысле, что ∥A∥22=σ12\left\| A\right\|_{2}^{2} = \sigma_{1}^{2} и ∥A∥F2=σ12+σ22+⋯+σr2\left\| A\right\|_{F}^{2} = \sigma_{1}^{2}+\sigma_{2}^{2}+\cdots +\sigma_{r}^{2}.

?
Примечание.
?

Уравнение (5.12.4): σ1=max⁡∥x∥2=1∥Ax∥2=∥A∥2\sigma_{1} = \max_{\left\| x\right\|_{2}=1}\left\| Ax\right\|_{2} = \left\| A\right\|_{2}.

Задача 5.12.3

Объясните, почему ∥A∥2≤∥A∥F≤n∥A∥2\left\| A\right\|_{2} \leq \left\| A\right\|_{F} \leq \sqrt{n}\left\| A\right\|_{2} (элементы (2,F)(2,F) и (F,2)(F,2) таблицы эквивалентности матричных норм из упражнения 5.1.8/собственной ограничивающей матрицы упражнения 5.12.3).

?
Задача 5.12.4

Докажите, что если σ1≥σ2≥⋯≥σr\sigma_{1}\geq \sigma_{2}\geq \cdots \geq \sigma_{r} — ненулевые сингулярные числа матрицы AA ранга rr, и если ∥E∥2<σr\left\| E\right\|_{2} < \sigma_{r}, то rk⁡(A+E)≥rk⁡(A)\operatorname {rk}\left(A+E\right) \geq \operatorname {rk}\left(A\right).

?
Примечание.
?

(5.12.10): если σ1≥⋯≥σr\sigma_{1}\geq \cdots \geq \sigma_{r} — ненулевые сингулярные числа матрицы Am×nA_{m\times n}, то для каждого k<rk<r расстояние от AA до ближайшей матрицы ранга kk равно σk+1=min⁡rk⁡(B)=k∥A−B∥2\sigma_{k+1} = \min_{\operatorname {rk}\left(B\right)=k}\left\| A-B\right\|_{2}. Это проясняет смысл выражения «достаточно малый» в утверждении о том, что малые возмущения не могут уменьшить ранг.

Задача 5.12.5

Обобщите результат об образе единичной сферы, включив сингулярные и прямоугольные матрицы, показав, что если σ1≥σ2≥⋯≥σr>0\sigma_{1}\geq \sigma_{2}\geq \cdots \geq \sigma_{r}>0 — ненулевые сингулярные числа матрицы Am×nA_{m\times n}, то образ A(S2)⊂RmA(S_{2}) \subset \mathbb {R}^{m} единичной 2-сферы S2⊂RnS_{2}\subset \mathbb {R}^{n} является эллипсоидом (возможно, вырожденным), у которого kk-я полуось равна σkU∗k=AV∗k\sigma_{k}U_{*k} = AV_{*k}, где U∗kU_{*k} и V∗kV_{*k} — соответственно левые и правые сингулярные векторы матрицы AA.

?
Задача 5.12.6

Докажите, что если σr\sigma_{r} — наименьшее ненулевое сингулярное число матрицы Am×nA_{m\times n}, то

σr=min⁡∥x∥2=1x∈R(AT)∥Ax∥2=1/∥A†∥2. \sigma _{r} = \min _{\substack {\left\| x\right\| _{2}=1 \\ x \in \mathcal{R}(A^{T})}} \left\| Ax\right\| _{2} = 1/\left\| A^{\dagger }\right\| _{2}.
?
Задача 5.12.7

Обобщите оценку κ−1∥e∥/∥b∥≤∥x−x~∥/∥x∥≤κ∥e∥/∥b∥\kappa^{-1}\left\| e\right\| /\left\| b\right\| \leq \left\| x-\tilde{x}\right\| /\left\| x\right\| \leq \kappa \left\| e\right\| /\left\| b\right\| (где κ=∥A∥∥A−1∥\kappa = \left\| A\right\| \left\| A^{-1}\right\| — для анализа неопределённости невырожденной системы), включив сингулярные и прямоугольные матрицы, показав, что если xx и x~\tilde{x} — соответствующие решения с минимальной 2-нормой совместных систем Ax=bAx=b и Ax~=b~=b−eA\tilde{x} = \tilde{b} = b-e, то

κ−1∥e∥∥b∥≤∥x−x~∥∥x∥≤κ∥e∥∥b∥,где κ=∥A∥∥A†∥. \kappa ^{-1}\frac{\left\| e\right\| }{\left\| b\right\| } \leq \frac{\left\| x-\tilde{x}\right\| }{\left\| x\right\| } \leq \kappa \frac{\left\| e\right\| }{\left\| b\right\| }, \qquad \text{где } \kappa = \left\| A\right\| \left\| A^{\dagger }\right\| .

Можно ли использовать те же рассуждения, что и в примере с неопределённостью для невырожденного случая, чтобы утверждать, что для ∥⋆∥2\left\| \star \right\|_{2} верхняя и нижняя границы достижимы для любой AA?

?
Задача 5.12.8

Докажите, что если ∣ϵ∣<σr2\left|\epsilon \right| < \sigma_{r}^{2} для наименьшего ненулевого сингулярного числа матрицы Am×nA_{m\times n}, то (ATA+ϵI)−1(A^{T}A+\epsilon I)^{-1} существует, и lim⁡ϵ→0(ATA+ϵI)−1AT=A†\lim_{\epsilon \to 0}(A^{T}A+\epsilon I)^{-1}A^{T} = A^{\dagger }.

?
Задача 5.12.9

Рассмотрим систему Ax=bAx=b, в которой A=(.835.667.333.266)A = \begin{pmatrix} .835& .667 \\ .333& .266 \end{pmatrix}, и предположим, что bb подвержен неопределённости ee. Используя ∞\infty-нормы, определите направления bb и ee, приводящие к наихудшему случаю ∥x−x~∥∞/∥x∥∞=κ∞∥e∥∞/∥b∥∞\left\| x-\tilde{x}\right\|_{\infty }/\left\| x\right\|_{\infty } = \kappa_{\infty }\left\| e\right\|_{\infty }/\left\| b\right\|_{\infty }.

?
Задача 5.12.10

Плохую обусловленность матрицы подозревают, когда при LU-разложении AA появляется малый ведущий элемент uiiu_{ii} (поскольку тогда [U−1]ii=1/uii\left[U^{-1}\right]_{ii} = 1/u_{ii} велик), однако это не абсолютный критерий.

?
(a)

Постройте пример матрицы, которая хорошо обусловлена, но имеет малый ведущий элемент.

(b)

Постройте пример матрицы, которая плохо обусловлена, но не имеет малых ведущих элементов.

Задача 5.12.11

Оцените относительную неопределённость решения невырожденной системы Ax=bAx=b, в которой есть некоторая неопределённость в AA, но не в bb, показав, что если (A−E)x~=b(A-E)\tilde{x}=b, где α=∥A−1E∥<1\alpha = \left\| A^{-1}E\right\| < 1 для любой матричной нормы с ∥I∥=1\left\| I\right\| =1, то

∥x−x~∥∥x∥≤κ1−α∥E∥∥A∥,где κ=∥A∥∥A−1∥. \frac{\left\| x-\tilde{x}\right\| }{\left\| x\right\| } \leq \frac{\kappa }{1-\alpha }\frac{\left\| E\right\| }{\left\| A\right\| }, \qquad \text{где } \kappa = \left\| A\right\| \left\| A^{-1}\right\| .
?
Примечание.
?

Если используется 2-норма, то ∥E∥2<σn\left\| E\right\|_{2}<\sigma_{n} гарантирует α<1\alpha <1.

Задача 5.12.12

Теперь оцените относительную неопределённость решения невырожденной системы Ax=bAx=b, в которой есть некоторая неопределённость и в AA, и в bb, показав, что если (A−E)x~=b−e(A-E)\tilde{x} = b-e, где α=∥A−1E∥<1\alpha = \left\| A^{-1}E\right\| < 1 для любой матричной нормы с ∥I∥=1\left\| I\right\| =1, то

∥x−x~∥∥x∥≤κ1−κ∥E∥/∥A∥(∥e∥∥b∥+∥E∥∥A∥),где κ=∥A∥∥A−1∥. \frac{\left\| x-\tilde{x}\right\| }{\left\| x\right\| } \leq \frac{\kappa }{1-\kappa \left\| E\right\| /\left\| A\right\| }\left(\frac{\left\| e\right\| }{\left\| b\right\| } + \frac{\left\| E\right\| }{\left\| A\right\| }\right), \qquad \text{где } \kappa = \left\| A\right\| \left\| A^{-1}\right\| .
?
Примечание.
?

Если используется 2-норма, то ∥E∥2<σn\left\| E\right\|_{2}<\sigma_{n} гарантирует α<1\alpha <1. Это упражнение подчёркивает вывод о том, что если AA хорошо обусловлена, а относительные неопределённости в AA и bb малы, то относительная неопределённость в xx также должна быть малой.

Задача 5.12.13

Рассмотрим матрицу A=(−4−2−4−22−221−41−4−2)A = \begin{pmatrix} -4& -2& -4& -2 \\ 2& -2& 2& 1 \\ -4& 1& -4& -2 \end{pmatrix}.

?
(a)

Используя URV-разложение, вычисленное в упражнении 5.11.8, найдите A†A^{\dagger }.

(b)

Теперь используйте URV-разложение, полученное в упражнении 5.11.9, чтобы найти A†A^{\dagger }. Согласуются ли ваши результаты с результатами пункта (а)?

Задача 5.12.14

Для матрицы AA из упражнения 5.11.8 и b=(−123−9)Tb = \begin{pmatrix} -12& 3& -9 \end{pmatrix}^{T} найдите решение Ax=bAx=b, имеющее минимальную евклидову норму.

?
Примечание.
?

Уравнение (5.12.17): когда Ax=bAx=b совместна, x=A†bx = A^{\dagger }b — решение минимальной евклидовой нормы.

Задача 5.12.15

Пусть A=URVTA = URV^{T} — URV-разложение (в частности, это может быть SVD) матрицы m×nm\times n ранга rr, и пусть UU разбита на блоки U=[U1∣U2]U = \left[U_{1}\mid U_{2}\right], где U1U_{1} имеет размер m×rm\times r. Докажите, что P=U1U1T=AA†P = U_{1}U_{1}^{T} = AA^{\dagger } — это проектор на R(A)\mathcal{R}(A) вдоль N(AT)\mathcal{N}(A^{T}).

?
Примечание.
?

В этом случае PP называют ортогональным проектором, поскольку его образ ортогонален его ядру. Каков ортогональный проектор на N(AT)\mathcal{N}(A^{T}) вдоль R(A)\mathcal{R}(A)?

Задача 5.12.16

Установите следующие свойства A†A^{\dagger }.

?
(a)

A†=A−1A^{\dagger } = A^{-1}, когда AA невырождена.

(b)

(A†)†=A(A^{\dagger })^{\dagger } = A.

(c)

(A†)T=(AT)†(A^{\dagger })^{T} = (A^{T})^{\dagger }.

(d)

A†={(ATA)−1ATкогда rk⁡(Am×n)=n,AT(AAT)−1когда rk⁡(Am×n)=m.A^{\dagger } = \begin{cases} (A^{T}A)^{-1}A^{T} & \text{когда } \operatorname {rk}\left(A_{m\times n}\right)=n, \\ A^{T}(AA^{T})^{-1} & \text{когда } \operatorname {rk}\left(A_{m\times n}\right)=m. \end{cases}

(e)

AT=ATAA†=A†AATA^{T} = A^{T}AA^{\dagger } = A^{\dagger }AA^{T} для всех A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n}.

(f)

A†=AT(AAT)†=(ATA)†ATA^{\dagger } = A^{T}(AA^{T})^{\dagger } = (A^{T}A)^{\dagger }A^{T} для всех A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n}.

(g)

R(A†)=R(AT)=R(A†A)\mathcal{R}(A^{\dagger }) = \mathcal{R}(A^{T}) = \mathcal{R}(A^{\dagger }A), и N(A†)=N(AT)=N(AA†)\mathcal{N}(A^{\dagger }) = \mathcal{N}(A^{T}) = \mathcal{N}(AA^{\dagger }).

(h)

(PAQ)†=QTA†PT(PAQ)^{\dagger } = Q^{T}A^{\dagger }P^{T}, когда PP и QQ — ортогональные матрицы, но в общем случае (AB)†≠B†A†(AB)^{\dagger } \neq B^{\dagger }A^{\dagger } (закон обратного порядка не выполняется).

(i)

(ATA)†=A†(AT)†(A^{T}A)^{\dagger } = A^{\dagger }(A^{T})^{\dagger } и (AAT)†=(AT)†A†(AA^{T})^{\dagger } = (A^{T})^{\dagger }A^{\dagger }.

Задача 5.12.17

Объясните, почему A†=ADA^{\dagger } = A^{D} тогда и только тогда, когда AA — RPN-матрица (то есть R(A)⊥N(A)\mathcal{R}(A)\perp \mathcal{N}(A)).

?
Задача 5.12.18

Пусть X,Y∈Rm×nX, Y \in \mathbb {R}^{m\times n} таковы, что R(X)⊥R(Y)\mathcal{R}(X) \perp \mathcal{R}(Y).

?
(a)

Установите теорему Пифагора для матриц, доказав, что ∥X+Y∥F2=∥X∥F2+∥Y∥F2\left\| X+Y\right\|_{F}^{2} = \left\| X\right\|_{F}^{2} + \left\| Y\right\|_{F}^{2}.

(b)

Приведите пример, показывающий, что результат пункта (а) не выполняется для матричной 2-нормы.

(c)

Покажите, что A†A^{\dagger } является наилучшим приближённым обратным для AA в том смысле, что A†A^{\dagger } — это матрица наименьшей нормы Фробениуса, минимизирующая ∥I−AX∥F\left\| I-AX\right\|_{F}.

§
Задача 5.13.1

Найдите ортогональную проекцию bb на M=⟨u⟩M = \left\langle u\right\rangle, а затем определите ортогональную проекцию bb на M⊥M^{\perp }, где b=(48)Tb = \begin{pmatrix} 4 & 8 \end{pmatrix}^{T} и u=(31)Tu = \begin{pmatrix} 3 & 1 \end{pmatrix}^{T}.

?
Задача 5.13.2

Пусть A=(120241120)A = \begin{pmatrix} 1& 2& 0 \\ 2& 4& 1 \\ 1& 2& 0 \end{pmatrix} и b=(111)b = \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ 1 \end{pmatrix}.

?
(a)

Вычислите ортогональные проекторы на каждое из четырёх фундаментальных подпространств, связанных с AA.

(b)

Найдите точку в N(A)⊥\mathcal{N}(A)^{\perp }, ближайшую к bb.

Задача 5.13.3

Для ортогонального проектора PP докажите, что ∥Px∥2=∥x∥2\left\| Px\right\|_{2} = \left\| x\right\|_{2} тогда и только тогда, когда x∈R(P)x \in \mathcal{R}(P).

?
Задача 5.13.4

Объясните, почему ATPR(A)=ATA^{T}P_{\mathcal{R}(A)} = A^{T} для всех A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n}.

?
Задача 5.13.5

Объясните, почему PM=∑i=1ruiuiTP_{M} = \sum_{i=1}^{r} u_{i}u_{i}^{T}, если B={u1,u2,…,ur}B = \left\{ u_{1},u_{2},\ldots ,u_{r}\right\} — ортонормированный базис для M⊆Rn×1M \subseteq \mathbb {R}^{n\times 1}.

?
Задача 5.13.6

Объясните, как использовать методы ортогонального разложения для вычисления ортогональных проекторов на каждое из четырёх фундаментальных подпространств матрицы A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n}.

?
Задача 5.13.7
?
(a)

Опишите все ортогональные проекторы размера 2×22\times 2 в R2×2\mathbb {R}^{2\times 2}.

(b)

Опишите все (косые) проекторы размера 2×22\times 2 в R2×2\mathbb {R}^{2\times 2}.

Задача 5.13.8

Прямая LL в Rn\mathbb {R}^{n}, проходящая через две различные точки uu и vv, задаётся как L=u+⟨u−v⟩L = u + \left\langle u-v\right\rangle. Если u≠0u \neq 0 и v≠αuv \neq \alpha u, то LL — прямая, не проходящая через начало координат, т.е. LL не является подпространством. Объясните, как ортогонально спроектировать вектор bb на LL.

?
Задача 5.13.9

Объясните, почему x^\hat{x} является решением по методу наименьших квадратов для Ax=bAx=b тогда и только тогда, когда ∥Ax^−b∥2=∥PN(AT)b∥2\left\| A\hat{x}-b\right\|_{2} = \left\| P_{\mathcal{N}(A^{T})}b\right\|_{2}.

?
Задача 5.13.10

Докажите, что если ε=Ax^−b\varepsilon = A\hat{x}-b, где x^\hat{x} — решение по методу наименьших квадратов для Ax=bAx=b, то ∥ε∥22=∥b∥22−∥PR(A)b∥22\left\| \varepsilon \right\|_{2}^{2} = \left\| b\right\|_{2}^{2} - \left\| P_{\mathcal{R}(A)}b\right\|_{2}^{2}.

?
Задача 5.13.11

Пусть MM — rr-мерное подпространство в Rn\mathbb {R}^{n}. Если B={u1,u2,…,ur}B = \left\{ u_{1},u_{2},\ldots ,u_{r}\right\} — ортонормированный базис для MM, и если x∈Mx \in M, то xx равен своему разложению Фурье относительно BB: x=∑i=1r(uiTx)uix = \sum_{i=1}^{r}(u_{i}^{T}x)u_{i}. Покажите, что при x∉Mx \notin M эта же сумма ∑i=1r(uiTx)ui\sum_{i=1}^{r}(u_{i}^{T}x)u_{i} является точкой в MM, ближайшей к xx, — т.е. покажите, что ∑i=1r(uiTx)ui=PMx\sum_{i=1}^{r}(u_{i}^{T}x)u_{i} = P_{M}x.

?
Задача 5.13.12

Определите ортогональную проекцию bb на MM, где

b=(5253)иM=⟨(−3/504/50),(0001),(4/503/50)⟩. b = \begin{pmatrix} 5\\ 2\\ 5\\ 3 \end{pmatrix} \qquad \text{и} \qquad M = \left\langle \begin{pmatrix} -3/5\\ 0\\ 4/5\\ 0 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 0\\ 1 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 4/5\\ 0\\ 3/5\\ 0 \end{pmatrix}\right\rangle .
?
Примечание.
?

Является ли это порождающее множество на самом деле ортонормированным базисом?

Задача 5.13.13

Пусть MM и NN — подпространства векторного пространства VV, и рассмотрим соответствующие ортогональные проекторы PMP_{M} и PNP_{N}.

?
(a)

Докажите, что PMPN=0P_{M}P_{N} = 0 тогда и только тогда, когда M⊥NM \perp N.

(b)

Верно ли, что PMPN=0P_{M}P_{N}=0 тогда и только тогда, когда PNPM=0P_{N}P_{M}=0? Почему?

Задача 5.13.14

Пусть MM и NN — подпространства одного и того же векторного пространства, и пусть PMP_{M} и PNP_{N} — ортогональные проекторы на MM и NN соответственно.

?
(a)

Докажите, что R(PM+PN)=R(PM)+R(PN)=M+N\mathcal{R}(P_{M}+P_{N}) = \mathcal{R}(P_{M}) + \mathcal{R}(P_{N}) = M+N.

(b)

Объясните, почему M⊥NM\perp N тогда и только тогда, когда PMPN=0P_{M}P_{N}=0.

(c)

Объясните, почему PM+PNP_{M}+P_{N} является ортогональным проектором тогда и только тогда, когда PMPN=0P_{M}P_{N}=0, и в этом случае R(PM+PN)=M⊕N\mathcal{R}(P_{M}+P_{N}) = M\oplus N и M⊥NM\perp N.

Задача 5.13.15

Докажите, что если MM и NN — подпространства одного и того же векторного пространства, то ортогональный проектор на M∩NM\cap N задаётся формулой PM∩N=2PM(PM+PN)†PNP_{M\cap N} = 2P_{M}(P_{M}+P_{N})^{\dagger }P_{N}.

?
Примечание.
?

Эта формула обобщает сопротивление цепи, составленной из двух резисторов r1r_{1} и r2r_{2}, соединённых параллельно, r1r2/(r1+r2)=r1(r1+r2)−1r2r_{1}r_{2}/(r_{1}+r_{2}) = r_{1}(r_{1}+r_{2})^{-1}r_{2}; выражение PM(PM+PN)†PNP_{M}(P_{M}+P_{N})^{\dagger }P_{N} называется параллельной суммой PMP_{M} и PNP_{N}.

Задача 5.13.16

Для квадратной матрицы XX матричная экспонента определяется как eX=I+X+X22!+X33!+⋯=∑n=0∞Xnn!e^{X} = I+X+\dfrac {X^{2}}{2!}+\dfrac {X^{3}}{3!}+\cdots = \sum_{n=0}^{\infty } \dfrac {X^{n}}{n!}, и её допустимо дифференцировать/интегрировать почленно, что даёт deAt/dt=AeAt=eAtAde^{At}/dt = Ae^{At} = e^{At}A и ∫eAtA dt=eAt\int e^{At}A\, dt = e^{At}.

?
(a)

Используя тот факт, что lim⁡t→∞e−ATAt=0\lim_{t\to \infty } e^{-A^{T}At} = 0 для всех A∈Rm×nA \in \mathbb {R}^{m\times n}, покажите, что A†=∫0∞e−ATAtAT dtA^{\dagger } = \int_{0}^{\infty } e^{-A^{T}At}A^{T}\, dt.

(b)

Если lim⁡t→∞e−Ak+1t=0\lim_{t\to \infty } e^{-A^{k+1}t} = 0, покажите, что AD=∫0∞e−Ak+1tAk dtA^{D} = \int_{0}^{\infty } e^{-A^{k+1}t}A^{k}\, dt, где k=index⁡(A)k = \operatorname {index}(A).

(c)

Для невырожденных матриц покажите, что если lim⁡t→∞e−At=0\lim_{t\to \infty } e^{-At} = 0, то A−1=∫0∞e−At dtA^{-1} = \int_{0}^{\infty } e^{-At}\, dt.

Задача 5.13.17

Аффинное пространство v+M⊆Rnv+M \subseteq \mathbb {R}^{n}, для которого dim⁡M=n−1\dim M = n-1, называется гиперплоскостью.

?
(a)

Докажите, что для заданного скаляра β\beta и ненулевого вектора u∈Rnu \in \mathbb {R}^{n} множество H={x∣uTx=β}H = \left\{ x \mid u^{T}x = \beta \right\} является гиперплоскостью в Rn\mathbb {R}^{n}.

(b)

Объясните, почему ортогональная проекция b∈Rnb \in \mathbb {R}^{n} на HH равна p=b−(uTb−βuTu)up = b - \left(\dfrac {u^{T}b-\beta }{u^{T}u}\right)u.

Задача 5.13.18

Для u,w∈Rnu,w \in \mathbb {R}^{n} таких, что uTw≠0u^{T}w \neq 0, пусть M=u⊥M = u^{\perp } и W=⟨w⟩W = \left\langle w\right\rangle.

?
(a)

Объясните, почему Rn=M⊕W\mathbb {R}^{n} = M\oplus W.

(b)

Для b∈Rnb \in \mathbb {R}^{n} объясните, почему косая проекция bb на MM вдоль WW задаётся формулой p=b−uTbuTwwp = b - \dfrac {u^{T}b}{u^{T}w}w.

(c)

Для заданного скаляра β\beta пусть HH — гиперплоскость H={x∣uTx=β}H=\left\{ x \mid u^{T}x=\beta \right\}. Объясните, почему косая проекция bb на HH вдоль WW должна задаваться формулой p=b−(uTb−βuTw)wp = b - \left(\dfrac {u^{T}b-\beta }{u^{T}w}\right)w.

Задача 5.13.19

Для совместной системы An×rx=bA_{n\times r}x=b с rk⁡(A)=r\operatorname {rk}\left(A\right)=r отмасштабируем строки так, чтобы ∥Ai∗∥2=1\left\| A_{i*}\right\|_{2}=1 для каждого ii, и пусть Hi={x∣Ai∗x=bi}H_{i} = \left\{ x \mid A_{i*}x=b_{i}\right\} — гиперплоскость, определяемая ii-м уравнением. Начиная с произвольного вектора p0p_{0}, последовательность Качмажа порождается двойным циклом Для k=0,1,2,3,…k=0,1,2,3,\ldots Для i=1,2,…,ni=1,2,\ldots ,n pkn+i=pkn+i−1−(Ai∗pkn+i−1−bi)(Ai∗)Tp_{kn+i} = p_{kn+i-1} - (A_{i*}p_{kn+i-1}-b_{i})(A_{i*})^{T} Докажите, что последовательность Качмажа сходится к решению xx системы Ax=bAx=b, показав, что

∥pkn+i−x∥22=∥pkn+i−1−x∥22−(Ai∗pkn+i−1−bi)2. \left\| p_{kn+i}-x\right\| _{2}^{2} = \left\| p_{kn+i-1}-x\right\| _{2}^{2} - (A_{i*}p_{kn+i-1}-b_{i})^{2}.
?
Задача 5.13.20

Предположим, что невырожденная система An×nx=bA_{n\times n}x=b отмасштабирована по строкам так, что ∥Ai∗∥2=1\left\| A_{i*}\right\|_{2}=1 для каждого ii, и пусть Hi={x∣Ai∗x=bi}H_{i} = \left\{ x \mid A_{i*}x=b_{i}\right\}. Теоретически систему можно решить с помощью n−1n-1 косых проекций (упражнение 5.13.18): произвольная точка p1p_{1} в H1H_{1} косо проецируется на H2H_{2} вдоль H1H_{1}, давая p2∈H1∩H2p_{2} \in H_{1}\cap H_{2}, затем p2p_{2} проецируется на H3H_{3} вдоль H1∩H2H_{1}\cap H_{2}, давая p3p_{3}, и так далее. Поскольку ⋂i=1kHi\bigcap_{i=1}^{k} H_{i}, как правило, неизвестно, процедура модифицируется — воспользуйтесь следующим рисунком, показывающим случай n=3n=3, в качестве ориентира.

Последовательные косые проекции при n=3: p_1^{(1)} проецируется через p_2^{(1)}, p_3^{(1)} на \mathcal{H}_2, давая точки в \mathcal{H}_1 \cap \mathcal{H}_2.Последовательные косые проекции при n=3: p_1^{(1)} проецируется через p_2^{(1)}, p_3^{(1)} на \mathcal{H}_2, давая точки в \mathcal{H}_1 \cap \mathcal{H}_2.

Шаг 0. Начните с любого набора {p1(1),p2(1),…,pn(1)}⊂H1\left\{ p_{1}^{(1)}, p_{2}^{(1)}, \ldots , p_{n}^{(1)}\right\} \subset H_{1} такого, что {p1(1)−p2(1),…,p1(1)−pn(1)}\left\{ p_{1}^{(1)}-p_{2}^{(1)}, \ldots , p_{1}^{(1)}-p_{n}^{(1)}\right\} линейно независим и A2∗(p1(1)−pk(1))≠0A_{2*}(p_{1}^{(1)}-p_{k}^{(1)}) \neq 0 для k=2,…,nk=2,\ldots ,n. Шаг 1. По очереди спроецируйте p1(1)p_{1}^{(1)} на H2H_{2} через p2(1),…,pn(1)p_{2}^{(1)},\ldots ,p_{n}^{(1)}, чтобы получить {p2(2),…,pn(2)}⊂H1∩H2\left\{ p_{2}^{(2)},\ldots ,p_{n}^{(2)}\right\} \subset H_{1}\cap H_{2}. Шаг 2. Спроецируйте p2(2)p_{2}^{(2)} на H3H_{3} через p3(2),…,pn(2)p_{3}^{(2)},\ldots ,p_{n}^{(2)}, чтобы получить {p3(3),…,pn(3)}⊂H1∩H2∩H3\left\{ p_{3}^{(3)},\ldots ,p_{n}^{(3)}\right\} \subset H_{1}\cap H_{2}\cap H_{3}, и так далее. Шаг n−1n-1. Спроецируйте pn−1(n−1)p_{n-1}^{(n-1)} через pn(n−1)p_{n}^{(n-1)}, чтобы получить pn(n)∈⋂i=1nHip_{n}^{(n)} \in \bigcap_{i=1}^{n} H_{i}. Тогда x=pn(n)x = p_{n}^{(n)} является решением. Объясните, почему следующий алгоритм выполняет вычисления шагов 1,2,…,n−11,2,\ldots ,n-1. Для i=2i=2 до nn Для j=ij=i до nn xj←xj−(Ai∗xi−1−bi)xi−1−xjAi∗(xi−1−xj)x_{j} \leftarrow x_{j} - (A_{i*}x_{i-1}-b_{i})\dfrac {x_{i-1}-x_{j}}{A_{i*}(x_{i-1}-x_{j})} x←xnx \leftarrow x_{n} (решение системы)

?
Задача 5.13.21

Пусть MM — подпространство Rn\mathbb {R}^{n}, и пусть R=I−2PMR = I-2P_{M}. Докажите, что ортогональное расстояние между произвольной точкой x∈Rnx \in \mathbb {R}^{n} и M⊥M^{\perp } такое же, как ортогональное расстояние между RxRx и M⊥M^{\perp } (т.е. RR отражает всё относительно M⊥M^{\perp }).

?
Задача 5.13.22

В 1938 году итальянский математик Джанфранко Чиммино использовал следующее элементарное наблюдение для построения итерационного алгоритма решения линейных систем. Для системы 2×22\times 2 вида Ax=bAx=b пусть H1H_{1} и H2H_{2} — две прямые (гиперплоскости), задаваемые двумя уравнениями. Для произвольного приближения r0r_{0} пусть r1r_{1} — отражение r0r_{0} относительно прямой H1H_{1}, а r2r_{2} — отражение r0r_{0} относительно прямой H2H_{2}. Как показано ниже, три точки r0r_{0}, r1r_{1} и r2r_{2} лежат на окружности, центр которой — H1∩H2H_{1}\cap H_{2} (решение системы).

Отражения r_1, r_2 произвольной точки r_0 относительно прямых \mathcal{H}_1, \mathcal{H}_2 лежат вместе с r_0 на окружности с центром в \mathcal{H}_1 \cap \mathcal{H}_2.Отражения r_1, r_2 произвольной точки r_0 относительно прямых \mathcal{H}_1, \mathcal{H}_2 лежат вместе с r_0 на окружности с центром в \mathcal{H}_1 \cap \mathcal{H}_2.

Среднее значение m=(r1+r2)/2m = (r_{1}+r_{2})/2 строго внутри окружности, так что mm — лучшее приближение к решению, чем r0r_{0}. Наглядно видно, что итерация порождает последовательность, сходящуюся к решению Ax=bAx=b. Докажите это в общем случае, используя следующий план.

?
(a)

Для скаляра β\beta и вектора u∈Rnu \in \mathbb {R}^{n} такого, что ∥u∥2=1\left\| u\right\|_{2}=1, рассмотрим гиперплоскость H={x∣uTx=β}H = \left\{ x \mid u^{T}x=\beta \right\} (упражнение 5.13.17). Покажите, что отражение вектора bb относительно HH есть r=b−2(uTb−β)ur = b - 2(u^{T}b-\beta )u.

(b)

Для системы Ax=bAx=b, в которой строки A∈Rn×rA \in \mathbb {R}^{n\times r} отмасштабированы так, что ∥Ai∗∥2=1\left\| A_{i*}\right\|_{2}=1 для каждого ii, пусть Hi={x∣Ai∗x=bi}H_{i} = \left\{ x \mid A_{i*}x=b_{i}\right\}. Если r0∈Rrr_{0} \in \mathbb {R}^{r} произволен, а rir_{i} — отражение r0r_{0} относительно HiH_{i}, объясните, почему среднее значение отражений {r1,…,rn}\left\{ r_{1},\ldots ,r_{n}\right\} равно m=r0−(2/n)ATεm = r_{0} - (2/n)A^{T}\varepsilon, где ε=Ar0−b\varepsilon = Ar_{0}-b.

(c)

Итерирование пункта (б) даёт mk=mk−1−(2/n)ATεk−1m_{k} = m_{k-1} - (2/n)A^{T}\varepsilon_{k-1}, где εk−1=Amk−1−b\varepsilon_{k-1} = Am_{k-1}-b. Покажите, что если AA невырождена и x=A−1bx=A^{-1}b, то x−mk=(I−(2/n)ATA)k(x−m0)x-m_{k} = \left(I-(2/n)A^{T}A\right)^{k}(x-m_{0}).

Примечание.
?

Можно доказать, что (I−(2/n)ATA)k→0\left(I-(2/n)A^{T}A\right)^{k} \to 0 при k→∞k\to \infty, так что mk→xm_{k}\to x для любого m0m_{0}, даже если AA имеет неполный ранг (в этом случае последовательность сходится к решению, если система совместна, иначе — к решению методом наименьших квадратов). Метод Чиммино также работает со взвешенными средними: если W=diag⁡(w1,…,wn)W = \operatorname {diag}(w_{1},\ldots ,w_{n}), wi>0w_{i}>0, ∑wi=1\sum w_{i}=1, то mk=mk−1−ωATWεk−1m_{k} = m_{k-1} - \omega A^{T}W\varepsilon_{k-1} сходится при параметре релаксации 0<ω<20<\omega <2.

§
Задача 5.14.1

Для матрицы Zm×n=[zij]Z_{m\times n} = [z_{ij}] случайных величин E[Z]E[Z] — это матрица размера m×nm\times n, у которой (i,j)(i,j)-элемент равен E[zij]E[z_{ij}]. Рассмотрим стандартную линейную модель y=Xm×nβ+εy = X_{m\times n}\beta + \varepsilon, такую что rk⁡(X)=n\operatorname {rk}\left(X\right)=n, E[ε]=0E[\varepsilon ]=0, Cov⁡[ε]=σ2I\operatorname {Cov}[\varepsilon ] = \sigma^{2}I, и пусть e^\hat{e} обозначает вектор случайных величин, определённый как e^=y−Xβ^\hat{e} = y - X\hat{\beta }, где β^=(XTX)−1XTy=X†y\hat{\beta } = (X^{T}X)^{-1}X^{T}y = X^{\dagger }y. Покажите, что

σ^2=e^Te^m−n \hat{\sigma }^{2} = \frac{\hat{e}^{T}\hat{e}}{m-n}

является несмещённой оценкой для σ2\sigma^{2}.

?
Примечание.
?

(5.14.5): в стандартной линейной модели μyi=Xi∗β\mu_{y_i} = X_{i*}\beta и Cov⁡[yi,yj]=σ2\operatorname {Cov}[y_i,y_j] = \sigma^{2}, если i=ji=j, и 00 в противном случае. Упражнение 5.9.13: rk⁡(P)=trace⁡(P)\operatorname {rk}\left(P\right) = \operatorname {trace}(P) для любого проектора PP.

§
Задача 5.15.1

Определите углы θmin⁡\theta_{\min } и θmax⁡\theta_{\max } между следующими подпространствами R3\mathbb {R}^{3}.

?
(a)

M=xy-плоскостьM = xy\text{-плоскость}, N=⟨(1,0,0),(0,1,1)⟩N = \left\langle (1,0,0),(0,1,1)\right\rangle.

(b)

M=xy-плоскостьM = xy\text{-плоскость}, N=⟨(0,1,1)⟩N = \left\langle (0,1,1)\right\rangle.

Задача 5.15.2

Определите главные углы между следующими подпространствами R3\mathbb {R}^{3}.

?
(a)

M=xy-плоскостьM = xy\text{-плоскость}, N=⟨(1,0,0),(0,1,1)⟩N = \left\langle (1,0,0),(0,1,1)\right\rangle.

(b)

M=xy-плоскостьM = xy\text{-плоскость}, N=⟨(0,1,1)⟩N = \left\langle (0,1,1)\right\rangle.

Примечание.
?

Главные углы между MM и NN определяются рекурсивно: θ1=θmin⁡\theta_{1} = \theta_{\min }, где u1,v1u_{1}, v_{1} — единичные векторы, на которых достигается максимум в cos⁡θmin⁡=v1Tu1\cos \theta_{\min } = v_{1}^{T}u_{1}; затем M2=u1⊥∩MM_{2} = u_{1}^{\perp } \cap M, N2=v1⊥∩NN_{2} = v_{1}^{\perp } \cap N, и θ2\theta_{2} — минимальный угол между M2M_{2} и N2N_{2}, и так далее.

Задача 5.15.3

Пусть θmin⁡\theta_{\min } — минимальный угол между ненулевыми подпространствами M,N⊆RnM, N \subseteq \mathbb {R}^{n}.

?
(a)

Объясните, почему θmax⁡=0\theta_{\max }=0 тогда и только тогда, когда M=NM=N.

(b)

Объясните, почему θmin⁡=0\theta_{\min }=0 тогда и только тогда, когда M∩N≠0M\cap N \neq 0.

(c)

Объясните, почему θmin⁡=π/2\theta_{\min }=\pi /2 тогда и только тогда, когда M⊥NM\perp N.

Примечание.
?

Формула (5.15.16): максимальный угол удовлетворяет sin⁡θmax⁡=gap⁡(M,N)=∥PM−PN∥2\sin \theta_{\max } = \operatorname {gap}(M,N) = \left\| P_{M}-P_{N}\right\|_{2}.

Задача 5.15.4

Пусть θmin⁡\theta_{\min } — минимальный угол между ненулевыми подпространствами M,N⊂RnM, N \subset \mathbb {R}^{n}, и пусть θmin⁡⊥\theta_{\min }^{\perp } обозначает минимальный угол между M⊥M^{\perp } и N⊥N^{\perp }. Докажите, что если M⊕N=RnM\oplus N = \mathbb {R}^{n}, то θmin⁡=θmin⁡⊥\theta_{\min } = \theta_{\min }^{\perp }.

?
Примечание.
?

Формула (5.15.4): если M,NM, N дополнительны, sin⁡θmin⁡=1/∥(PM−PN)−1∥2\sin \theta_{\min } = 1/\left\| (P_{M} - P_{N})^{-1}\right\|_{2}.

Задача 5.15.5

Для ненулевых подпространств M,N⊂RnM, N \subset \mathbb {R}^{n} пусть θ~min⁡\tilde{\theta }_{\min } обозначает минимальный угол между MM и N⊥N^{\perp }, а θmax⁡\theta_{\max } — максимальный угол между MM и NN. Докажите, что если M⊕N⊥=RnM \oplus N^{\perp } = \mathbb {R}^{n}, то cos⁡θ~min⁡=sin⁡θmax⁡\cos \tilde{\theta }_{\min } = \sin \theta_{\max }.

?
Примечание.
?
Задача 5.15.6

Для подпространств M,N⊆RnM, N \subseteq \mathbb {R}^{n} докажите, что PM−PNP_{M}-P_{N} невырождена тогда и только тогда, когда MM и NN — дополнительные подпространства.

?
Примечание.
?

Формула (5.15.7): при U = [U1 | U2], V = [V1 | V2] — ортогональные матрицы, столбцы которых дают ортонормированные базисы для M, M-perp, N-perp, N соответственно (так что P_M = U1 U1^T, P_N = V2 V2^T), U^T (P_M - P_N) V = block-diag(U1^T V1, -U2^T V2).

Задача 5.15.7

Для дополнительных подпространств M,N⊂RnM, N \subset \mathbb {R}^{n} пусть P=PMNP = P_{MN} — косой проектор на MM вдоль NN, а Q=PM⊥N⊥Q = P_{M^{\perp }N^{\perp }} — косой проектор на M⊥M^{\perp } вдоль N⊥N^{\perp }.

?
(a)

Докажите, что (PM−PN)−1=P−Q(P_{M}-P_{N})^{-1} = P-Q.

(b)

Если θmin⁡\theta_{\min } — минимальный угол между MM и NN, объясните, почему sin⁡θmin⁡=1/∥P−Q∥2\sin \theta_{\min } = 1/\left\| P-Q\right\|_{2}.

(c)

Объясните, почему ∥P−Q∥2=∥P∥2\left\| P-Q\right\|_{2} = \left\| P\right\|_{2}.

Задача 5.15.8

Докажите, что если f:V→Rf: V \to \mathbb {R} — функция, определённая на пространстве VV такая, что f(αx)=αf(x)f(\alpha x) = \alpha f(x) для скаляров α≥0\alpha \geq 0, то max⁡∥x∥=1f(x)=max⁡∥x∥≤1f(x)\max_{\left\| x\right\| =1} f(x) = \max_{\left\| x\right\| \leq 1} f(x).

?
Задача 5.15.9

Пусть MM и NN — ненулевые дополнительные подпространства пространства Rn\mathbb {R}^{n}.

?
(a)

Объясните, почему PMN=[(I−PN)PM]†P_{MN} = \left[(I-P_{N})P_{M}\right]^{\dagger }, где PMP_{M} и PNP_{N} — ортогональные проекторы на MM и NN соответственно, а PMNP_{MN} — косой проектор на MM вдоль NN.

(b)

Если θmin⁡\theta_{\min } — минимальный угол между MM и NN, объясните, почему

sin⁡θmin⁡=∥[(I−PN)PM]†∥2−1=∥[PM(I−PN)]†∥2−1=∥[(I−PM)PN]†∥2−1=∥[PN(I−PM)]†∥2−1. \sin \theta _{\min } = \left\| \left[(I-P_{N})P_{M}\right]^{\dagger }\right\| _{2}^{-1} = \left\| \left[P_{M}(I-P_{N})\right]^{\dagger }\right\| _{2}^{-1} = \left\| \left[(I-P_{M})P_{N}\right]^{\dagger }\right\| _{2}^{-1} = \left\| \left[P_{N}(I-P_{M})\right]^{\dagger }\right\| _{2}^{-1}.
Задача 5.15.10

Для дополнительных подпространств M,N⊂RnM, N \subset \mathbb {R}^{n} пусть θmin⁡\theta_{\min } — минимальный угол между MM и NN, а θˉmin⁡\bar{\theta }_{\min } обозначает минимальный угол между MM и N⊥N^{\perp }.

?
(a)

Если PMNP_{MN} — косой проектор на MM вдоль NN, докажите, что cos⁡θˉmin⁡=∥PMN†∥2\cos \bar{\theta }_{\min } = \left\| P_{MN}^{\dagger }\right\|_{2}.

(b)

Объясните, почему sin⁡θmin⁡≤cos⁡θˉmin⁡\sin \theta_{\min } \leq \cos \bar{\theta }_{\min }.

Задача 5.15.11

Пусть U=[U1∣U2]U = \left[U_{1}\mid U_{2}\right] и V=[V1∣V2]V = \left[V_{1}\mid V_{2}\right] — ортогональные матрицы, столбцы которых дают ортонормированные базисы для M,M⊥,N⊥,NM, M^{\perp }, N^{\perp }, N соответственно (как в доказательстве (5.15.3)-(5.15.4)).

?
(a)

Докажите, что если U2TV2U_{2}^{T}V_{2} невырождена, то 1∥(U2TV2)−1∥22=1−∥U2TV1∥22\dfrac {1}{\left\| (U_{2}^{T}V_{2})^{-1}\right\|_{2}^{2}} = 1 - \left\| U_{2}^{T}V_{1}\right\|_{2}^{2}.

(b)

Докажите, что если U2TV1U_{2}^{T}V_{1} невырождена, то ∥U2TV2∥22=1−1∥(U2TV1)−1∥22\left\| U_{2}^{T}V_{2}\right\|_{2}^{2} = 1 - \dfrac {1}{\left\| (U_{2}^{T}V_{1})^{-1}\right\|_{2}^{2}}.