Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Σχετικά έγγραφα
Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 4 : Ορθογωνιότητα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 7 : Γραµµικοί Μετασχηµατισµοί. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 2 : Επίλυση Γραµµικών Εξισώσεων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ = U1SV 1 V 2 A = [U1 U2] S = diag(σ 1,...,σ r ) R r r. και σ 1 σ r > 0. Ειδικότερα,

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 7 : Γραµµικοί Μετασχηµατισµοί. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 3 : ιανυσµατικοί Χώροι και Υπόχωροι. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Άλγεβρα των Πινάκων (2) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 5 : Ορίζουσες. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Θεωρία Τελεστών. Ενότητα: Το Φασµατικό Θεώρηµα - Εισαγωγή. Αριστείδης Κατάβολος. Τµήµα Μαθηµατικών

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (2 Ιουλίου 2009) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Στοχαστικά Σήματα και Τηλεπικοινωνιές

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι Ενότητα 5 - Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων. Ευστράτιος Γαλλόπουλος

Μαθηματικά Διοικητικών & Οικονομικών Επιστημών

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι Ενότητα 1 - Εισαγωγή. Ευστράτιος Γαλλόπουλος

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 1 : Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

{ } ΠΛΗ 12: ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Ι 2 η ΓΡΑΠΤΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Απαντήσεις. 1. (15 µονάδες)

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

Επιστηµονικός Υπολογισµός ΙΙ

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

Κυρτή Ανάλυση. Ενότητα: Ακραία σηµεία - Ασκήσεις. Απόστολος Γιαννόπουλος. Τµήµα Μαθηµατικών

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Γραµµική Αλγεβρα Ι. Ενότητα: Γραµµικές απεικονίσεις. Ευάγγελος Ράπτης. Τµήµα Μαθηµατικών

Κεφάλαιο 7 Ορθογώνιοι Πίνακες

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ (Εξ. Ιουνίου - 02/07/08) ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ

Λογισμός 3. Ενότητα 18: Θεώρημα Πεπλεγμένων (Ειδική περίπτωση) Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Παναγιώτης Ψαρράκος Αν. Καθηγητής

21 a 22 a 2n. a m1 a m2 a mn

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

5.1 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιµές και Ιδιοδιανύσµατα

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 3

ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ & ΔΙΚΤΥΑΚΟΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ ΙΙ (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Επίλυση Γραµµικών Συστηµάτων

Κβαντική Φυσική Ι. Ενότητα 16: Αναπαράσταση τελεστών με μήτρες. Ανδρέας Τερζής Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

' ' ' ' ' ' ' e G G G G. G M ' ' ' ' G '

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Διανυσματικοί Χώροι (2) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Διανύσματα στους Rn, Cn, διανύσματα στο χώρο (1) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Επίκουρος Καθηγητής Παν/µίου Ιωαννίνων. Μαθηµατικά Ι Ακαδ. Έτος /58

Γραµµικη Αλγεβρα ΙΙ Ασκησεις - Φυλλαδιο 10

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

x 2 = x x 2 2. x 2 = u 2 + x 2 3 Χρησιµοποιώντας το συµβολισµό του ανάστροφου, αυτό γράφεται x 2 = x T x. = x T x.

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύ

8.1 Διαγωνοποίηση πίνακα

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΙΑ ΜΙΚΡΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ...xi

Μάθηµα 3 ο ΠΑΡΑΓΟΝΤΟΠΟΙΗΣΗ LU και QR

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

Διδάσκων: Καθηγητής Νικόλαος Μαρμαρίδης, Καθηγητής Ιωάννης Μπεληγιάννης

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 3 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 7 Ιανουαρίου 2008

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Θεωρία Τελεστών. Ενότητα: Χώροι µε νόρµα - Χώροι Hilbert. Αριστείδης Κατάβολος. Τµήµα Μαθηµατικών

Επιστηµονικός Υπολογισµός Ι

4 k 2 = 2 ( 1+ 2 k 2. k 2 2 k= k 2. 1.ii) Αν σχηµατίσουµε τον πίνακα µε γραµµές τα δύο διανύσµατα έχουµε: Γ1 Γ1 ---> { }

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Αριθμητική Γραμμική Άλγεβρα (1) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Άλγεβρα των Πινάκων (1) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗ

Διαγωνοποίηση μητρών. Στοιχεία Γραμμικής Άλγεβρας

Κεφάλαιο 6 Ιδιοτιμές και Ιδιοδιανύσματα

Ορίζουσες ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. Προηγείται της Γραµµικής Αλγεβρας. Εχει ενδιαφέρουσα γεωµετρική ερµηνεία. ΛΥ.

Διανύσµατα στο επίπεδο

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ. ΕΝΟΤΗΤΑ: Διανυσματικοί Χώροι (1) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Βλάμος Παναγιώτης ΙΟΝΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ

Γραμμική Άλγεβρα Ενότητα 4: Ορίζουσες

Θεωρία Τελεστών. Ενότητα: Το ϕασµατικό ϑεώρηµα για αυτοσυζυγείς τελεστές. Αριστείδης Κατάβολος. Τµήµα Μαθηµατικών

Γραµµική Αλγεβρα Ι. Ενότητα: Εισαγωγικές Εννοιες. Ευάγγελος Ράπτης. Τµήµα Μαθηµατικών

ΣΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 12: Κριτήρια Σύγκλισης Σειρών. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Μαθηματικά. Ενότητα 6: Ασκήσεις Ορίων Συνάρτησης. Σαριαννίδης Νικόλαος Τμήμα Λογιστικής και Χρηματοοικονομικής

Transcript:

Γραµµική Αλγεβρα Ενότητα 6 : Ιδιοτιµές & Ιδιοδιανύσµατα Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Αδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ϱητώς. 1 / 29

Χρηµατοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδηµαϊκά Μαθήµατα στο Πανεπιστήµιο Πατρών» έχει χρηµατοδοτήσει µόνο τη αναδιαµόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ενωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. 2 / 29

Σκοπός Ενότητας Εύρεση Ιδιοτιµών & Ιδιοδιανυσµάτων ιαγωνοποιήση Μητρώων Συµµετρικά, Συµµετρικά και Θετικά Ορισµένα, Οµοια Μητρώα Ανάλυση Ιδιαζουσών Τιµών (SVD) 3 / 29

Περιεχόµενα 1 Υπενθύµιση 2 Υπολογίζοντας το SVD 4 / 29

Υπενθύµιση Υπενθύµιση και πρόγραµµα διάλεξης Συζητάµε το Αλγεβρικό Πρόβληµα Ιδιοτιµών (ΑΠΙ) 1 Μέθοδος δύναµης (απλή µέθοδος υπολογισµού ιδιοζεύγους) 2 Ρίζες πολυωνύµου µε γραµµική άλγεβρα: το συνοδευτικό µητρώο. 3 Λύση γραµµικού συστήµατος από το ϕασµατικό ανάπτυγµα. 4 Παραγοντοποιήσεις µητρώων. 5 Εισαγωγή στην παραγοντοποίηση ιδιαζουσών τιµών. 5 / 29

Υπενθύµιση Υπενθύµιση και πρόγραµµα διάλεξης Συζητάµε το Αλγεβρικό Πρόβληµα Ιδιοτιµών (ΑΠΙ) 1 Μέθοδος δύναµης (απλή µέθοδος υπολογισµού ιδιοζεύγους) 2 Ρίζες πολυωνύµου µε γραµµική άλγεβρα: το συνοδευτικό µητρώο. 3 Λύση γραµµικού συστήµατος από το ϕασµατικό ανάπτυγµα. 4 Παραγοντοποιήσεις µητρώων. 5 Εισαγωγή στην παραγοντοποίηση ιδιαζουσών τιµών. Σήµερα ϑα συζητήσουµε: 1 Σχετικά µε το SVD. 2 Ιδιότητες και χρήση στην προσέγγιση µητρώου µε µητρώα µειωµένης τάξης 3 Σχετικά µε τον υπολογισµό του SVD. 4 Ψευδοαντίστροφο µητρώο και SVD. 5 Εισαγωγή στους Γραµµικούς Μετασχηµατισµούς. 5 / 29

Υπενθύµιση Υπό συζήτηση ενότητες 6 / 29

Παραγοντοποιήσεις Παραδείγµατα 1 A = WKH όπου A R m n. Θέσαµε r = rank(a) (προσέξτε, ορισµένες παραγοντοποιήσεις προϋποθέτουν τετραγωνικό A): παραγοντοποίηση W K H A = BC (τάξης) B R m r, r στήλες C R r n, µη µηδεν. οδηγών A γραµµές ΑΓΚΜ A = QR Q R m m ορθογώνιο R R m n άνω τριγωνικό A = Q 1R 1 Q 1 R m r, ΟΚ στήλες R 1 R r r άνω τριγωνικό A = QTQ (Schur) Q ορθοµοναδιαίο άνω τριγωνικό T Q A = XJX 1 (ΑΠΙ) X αντιστρέψιµο µορφή Jordan J X 1 A = XΛX 1 διαγ/σιµο (ΑΠΙ) X αντιστρέψιµο διαγώνιο Λ X 1 A = QΛQ συµµετρικό (ΑΠΙ) Q ορθογώνιο διαγώνιο Λ Q Πρόκληση: Να διαγωνιοποιήσουµε οποιοδήποτε µητρώο (ακόµα και µη τετραγωνικό) µε ορθογώνιους µετασχηµατισµούς. 1 είτε τον εκτενή κατάλογο στο σύγγραµµα του Strang. 7 / 29

Παραγοντοποιήσεις Παραδείγµατα 1 A = WKH όπου A R m n. Θέσαµε r = rank(a) (προσέξτε, ορισµένες παραγοντοποιήσεις προϋποθέτουν τετραγωνικό A): παραγοντοποίηση W K H A = BC (τάξης) B R m r, r στήλες C R r n, µη µηδεν. οδηγών A γραµµές ΑΓΚΜ A = QR Q R m m ορθογώνιο R R m n άνω τριγωνικό A = Q 1R 1 Q 1 R m r, ΟΚ στήλες R 1 R r r άνω τριγωνικό A = QTQ (Schur) Q ορθοµοναδιαίο άνω τριγωνικό T Q A = XJX 1 (ΑΠΙ) X αντιστρέψιµο µορφή Jordan J X 1 A = XΛX 1 διαγ/σιµο (ΑΠΙ) X αντιστρέψιµο διαγώνιο Λ X 1 A = QΛQ συµµετρικό (ΑΠΙ) Q ορθογώνιο διαγώνιο Λ Q A = UΣV (SVD) U R m m διαγ. Σ 0 R m n, V R n n ορθογώνιο µε r ϑετικά στοιχεία ορθογώνιο A = U 1 ˆΣV 1 (SVD) U 1 R m r διαγ. ˆΣ R r r, V 1 R n r ΟΚ στήλες µε r ϑετικά στοιχεία ΟΚ γραµµές Πρόκληση: Να διαγωνιοποιήσουµε οποιοδήποτε µητρώο (ακόµα και µη τετραγωνικό) µε ορθογώνιους µετασχηµατισµούς. 1 είτε τον εκτενή κατάλογο στο σύγγραµµα του Strang. 7 / 29

ιάσπαση ιδιάζουσας τιµής (SVD) Κάθε µητρώο A R m n όπου m n µπορεί να παραγοντοποιηθεί ως γινόµενο δύο ορθογώνιων U R m m, V R n n και ενός πραγµατικού, µη αρνητικού και διαγώνιου µητρώου Σ R m n ως εξής ( ) ˆΣ A = UΣV = U V, 0 όπου U U = I m, V V = I n, ˆΣ R n n, και ˆΣ = diag(σ1,..., σ n ) 0. Επίσης, σ 1 σ 2 σ r > 0 ενώ σ r+1 = = σ n = 0. Μετά από τις απαραίτητες τροποποιήσεις, υπάρχει αντίστοιχη παραγοντοποίηση όταν m n. Από το SVD µαθαίνουµε σχεδόν τα πάντα για το µητρώο 8 / 29

Ορολογία και παρατηρήσεις Εστω ότι A = UΣV είναι η SVD του A. Τα διαγώνια στοιχεία του A λέγονται ιδιάζουσες τιµές του A. Θεωρούµε ότι σ 1 σ 2 σ min(m,n). Οι στήλες του U ονοµάζονται αριστερά ιδιάζοντα διανύσµατα. Προσέξτε ότι είναι τα ορθοκανονικά ιδιοδιανυσµατα του AA. Οι στήλες του V ονοµάζονται δεξιά ιδιάζοντα διανύσµατα. Προσέξτε ότι είναι τα ορθοκανονικά ιδιοδιανυσµατα του A A. τάξη του A ο αριθµός των µη µηδενικών στοιχείων της διαγωνίου του Σ. ΟΚ ϐάση για range(a) οι στήλες του U 1 = [u 1,..., u r ] ΟΚ ϐάση για null(a) οι στήλες του V 2 = [v r+1,..., v n ] ΟΚ ϐάση για range(a ) οι στήλες του V 1 = [v 1,..., v r ] ΟΚ ϐάση για null(a ) οι στήλες του U 2 = [u r+1,..., u m ] 9 / 29

A U Σ V 0 0 = 0 10 / 29

A U Σ V 0 0 r = r 0 11 / 29

A U Σ V 0 0 r = r 0 U 1 = U :,1:r U 2 = U :,r+1:m V 1 = V :,1:r V 2 = V :,r+1:n range(a) null(a ) range(a ) null(a) A = U 1 ˆΣV 1 12 / 29

A U Σ V = 13 / 29

Strang, σελ. 449 Θα σας πω άµεσα τη γνώµη µου: Η SVD είναι το αποκορυφωµα αυτού του µαθήµατος της γραµµικής άλγεβρας. Τη σκέφτοµαι ως το τελικό ϐήµα στο Θεµελιώδες Θεώρηµα. Αρχικά εµφανίζονται οι διαστάσεις των τεσσάρων υποχώρων. Στη συνέχεια η ορθογωνιότητά τους. Επειτα οι ορθοκανονικές ϐάσεις οι οποίες διαγωνιοποιούν τον A. Ολα εµπεριέχονται στον τύπο A = UΣV. 14 / 29

Ανάπτυγµα σε ιδιάζουσες τριπλέτες Αν το µητρώο είναι τάξης r και ϑέσουµε ˆΣ r,r το r r διαγώνιο µητρώο diag[σ 1,, σ r] (όλα µη µηδενικά) τότε A = [U 1, U 2] ( ˆΣr,r 0 r,n r 0 m r 0 m r,n r ) ( V 1 V 2 = U 1Σ r,r V 1 = σ 1u 1v 1 + σ 2u 2v 2 + + σ r u r v r Αποκαλύπτεται ότι το µητρώο τάξης r είναι άθροισµα r ανεξάρτητων µητρώων πρώτης τάξης. Λόγω της διάταξης των σ j και της ορθογωνιότητας των u j και v j αποδεικνύεται ότι οι παρακάτω προσεγγίσεις είναι «καλές» (η ποιότητα αυξάνει καθώς µεγαλώνει το k = 1,..., r): ) A σ 1u 1v 1... A σ 1u 1v 1 + σ k u k v k Ιδιαίτερα χρήσιµο για να προσεγγίζουµε (συµπιέζουµε) µητρώα και ό,τι αυτά αναπαριστούν. 15 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Υπολογισµός του SVD µέσω ιδιοδιασπάσεων Για µικρά προβλήµατα, αξιοποιούµε τη σχέση του SVD του A µε τις ιδιοτιµές και ιδιοδιανύσµατα των A A ή και AA. Αν A = UΣV R m n, τότε, A A = VΣ ΣV, AA = UΣΣ U καθώς U U = I m, V V = I n εποµένως αν ϑεωρήσουµε ότι m n και ονοµάσουµε µ 1,..., µ n τις ιδιοτιµές του A A (τις υπολογίζουµε µε κάποιον τρόπο), τότε 1 σ i = µ i 2 Τα δεξιά ιδιάζοντα διανύσµατα του A είναι τα ιδιοδιανύσµατα του A A. 3 Ισχύει επίσης ότι τα αριστερά ιδιάζοντα διανύσµατα του A είναι τα ιδιοδιανύσµατα του A A. 4 Για τις µη µηδενικές ιδιάζουσες τιµές ισχύει ότι 1 σ i Av i = u i και µπορούµε να υπολογίσουµε τα αριστερά ιδιάζοντα διανύσµατα µε οικονοµικό τρόπο από τη σχέση. Προσοχή: Το ϑέµα του υπολογισµού SVD όπως και το αλγεβρικό πρόβληµα ιδιοτιµών είναι πολύ ευρύ. Η µέθοδος που αναφέραµε είναι κυρίως για χρήση «στο χαρτί». 16 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Προσέγγιση µειωµένης τάξης µε SVD Θεώρηµα Eckart & Schmidt Εστω A R m n τέτοιο ώστε A = UΣV. Τότε το µητρώο τάξης k < min(m, n), έστω B, που προσεγγίζει το A µε τρόπο ώστε να ελαχιστοποείται η νόρµα Frobenius A B F είναι το µητρώο όπου Τότε B = U (k) S k (V (k) ) U (k) = [u 1,..., u k ], V (k) = [v 1,..., v k ], S (k) = diag(σ 1,..., σ k ) A B 2 F = σ 2 k+1 + + σ 2 r 17 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Παράδειγµα προσέγγισης Η παρακάτω εικόνα κωδικοποιείται µε µητρώο X R 804 1072 του οποίου µπορούµε να υπολογίσουµε το SVD. 18 / 29

Προσεγγίσεις U (k) S k(v (k) ) για k = 1, 10, 100. Το πρώτο σχήµα δείχνει τη διακύµανση των 804 ιδιαζουσών τιµών.

Υπολογίζοντας το SVD Αντιστροφή µε SVD και η έννοια του ψευδοαντιστρόφου Οταν το A είναι τετραγωνικό και αντιστρέψιµο A 1 = (UΣV ) 1 = (V ) 1 Σ 1 U 1 = VΣ 1 U = 1 v 1 u 1 + 1 v 2 u 2 + + 1 v n u n σ 1 σ 2 σ n Μπορούµε να επεκτείνουµε την έννοια του αντιστρόφου; 20 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Αντιστροφή µε SVD και η έννοια του ψευδοαντιστρόφου Οταν το A είναι τετραγωνικό και αντιστρέψιµο A 1 = (UΣV ) 1 = (V ) 1 Σ 1 U 1 = VΣ 1 U = 1 v 1 u 1 + 1 v 2 u 2 + + 1 v n u n σ 1 σ 2 σ n Μπορούµε να επεκτείνουµε την έννοια του αντιστρόφου; Αν το A δεν είναι αντιστρέψιµο, τότε ϑα είναι µειωµένης τάξης, δηλ. r < n. Εποµένως στις παραπάνω εκφράσεις, ϑα υπάρξει αστοχία τους µηδενικούς όρους σ r+1,..., σ n του ˆΣ: Σ 1 = 1 σ 1... 1 σ r?... 20 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Ψευδοαντίστροφο µητρώο Επεκτείνουµε τον ορισµό του αντιστρόφου για το ˆΣ ϑέτοντας (προσέξτε το διαφορετικό σύµβολο-υπερδείκτη): Σ = 1 σ 1... 1 σ r 0... Τότε A = 1 σ 1 v 1 u 1 + 1 σ 2 v 2 u 2 + + 1 σ r v r u r, άρα A = VΣ U Το A ονοµάζεται ψευδοαντίστροφο του A. Οπως ορίστηκε, το ψευδοοαντίστροφο µητρώο είναι µοναδικό για οποιοδήποτε µητρώο A R m n. 21 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Επιλεγµένες ιδιότητες ψευδοαντιστρόφου AA A = A, A AA = A (AA ) = AA και (A A) = A A. αν A είναι πλήρους τάξης στηλών, A = (A A) 1 A.... και A A = I (αριστερό αντίστροφο). αν είναι πλήρους τάξης γραµµών, A = A (AA ) 1,... και AA = I (δεξιό αντίστροφο). Η επίλυση ελαχίστων τετραγώνων του Ax = b είναι x LS = A b. 22 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Παράδειγµα Να υπολογίσετε το ψευδοαντίστροφο του ( ) ( ) 1 1 2 1 1 A = (2 1 1) = 2 1 1 2 4 2 2 23 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Παράδειγµα Να υπολογίσετε το ψευδοαντίστροφο του ( ) ( ) 1 1 2 1 1 A = (2 1 1) = 2 1 1 2 4 2 2 Προσέξτε ότι A = ab οπότε σ 1 > 0, σ 2 = σ 3 = 0. A = a 2 b 2 uv, όπου u 1 = a a 2, v 1 = b b 2 εποµένως u 1 2 = v 1 2 = 1. (Στην περίπτωσή µας, a 2 = b 2 = 6). Εποµένως ισχύει ότι η SVD του Αρα A = 1 6 v 1u 1 = 1 b 6 b 2 A = ( a 2 b 2 ) u 1 v1. }{{} σ 1 a a 2 = 1 36 ba = 1 36 ( 2 2 ) 4 1 1 2 1 1 2 23 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Παράδειγµα Να υπολογίσετε το ψευδοαντίστροφο του ( ) ( ) 1 1 1 A = 1 1 = 1 (1 1) 0 0 0 Οπως και πριν: A = ab οπότε σ 1 > 0, σ 2 = σ 3 = 0. A = a 2 b 2 uv, όπου u 1 = a a 2, v 1 = b b 2 εποµένως u 1 2 = v 1 2 = 1. (Στην περίπτωσή µας, a 2 = b 2 = 2). Εποµένως ισχύει ότι η SVD του Αρα A = ( a 2 b 2 ) u 1 v1. }{{} σ 1 A = 1 2 v 1u 1 = 1 b a = 1 ( 1 ) 2 b 2 a 2 4 ba = 1 0 4 4 1 1 0 4 4 24 / 29

Γραµµική Αλγεβρα (2014-15, c Ε. Γαλλόπουλος) Υπολογίζοντας το SVD Ψευδοαντίστροφο 25 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Βιβλιογραφία I G. Strang. Εισαγωγή στη Γραµµική Αλγεβρα. Εκδόσεις Πανεπιστηµιου Πατρών, 2006. 26 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Χρήση Εργου Τρίτων I 1 http://img2-1.timeinc.net/people/i/2014/news/141201/eddie-redmayne-1024.jpg (ϐλ. σελ 25) 2 http://blog.yovisto.com/wp-content/uploads/2015/08/roger_penrose-6nov2005.jpg (ϐλ. σελ 25) 3 Christian McKay as Penrose: The theory of Everything (2014) (ϐλ. σελ 25) 4 https://en.wikipedia.org/wiki/moore%e2%80%93penrose_pseudoinverse (ϐλ. σελ 25) 5 http://ecx.images-amazon.com/images/i/a12czd7v4gl.jpg (ϐλ. σελ 25) 27 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Σηµείωµα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήµιο Πατρών - Ευστράτιος Γαλλόπουλος 2015 Γραµµική Αλγεβρα, Εκδοση: 1.0, Πάτρα 2014-2015. ιαθέσιµο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/ceid1097/ 28 / 29

Υπολογίζοντας το SVD Τέλος Ενότητας 29 / 29