数值线性代数：奇异值分解SVD

本文记录计算矩阵奇异值分解SVD的原理与流程。

注1：限于研究水平，分析难免不当，欢迎批评指正。

零、预修

0.1 矩阵的奇异值

设 $A\in \mathbb{R}^{m\times n}$ 列满秩矩阵，若 $\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}$ 的特征值为 $\lambda_{1}\geq \lambda_{2}\geq \cdots \lambda_{r}>0$ ，则称 $\sigma_{i}=\sqrt{\lambda_{i}}$ 为矩阵 $\boldsymbol{A}$ 的奇异值。

0.2 SVD(分解)定理

设 $\boldsymbol{A}\in \mathbb{R}^{m\times n}$ ，则存在正交矩阵 $\boldsymbol{U}\in \mathbb{R}^{m\times m}$ 与 $\boldsymbol{V}\in \mathbb{R}^{n\times n}$ ，使得

$\boldsymbol{U}^{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{V}=\begin{pmatrix} \sum_{r} & 0\\ 0& 0 \end{pmatrix}$

其中， $\sum_{r}=diag\left ( \sigma_{1},\sigma_{2},\cdots ,\sigma_{r} \right )$ ， $\sigma_{1}\geq \sigma_{2}\geq \cdots \sigma_{r}>0$ ， $\sigma_{i}$ 即为矩阵 $\boldsymbol{A}$ 的奇异值。

考虑下述两种情形：

情形1： $\tilde{\boldsymbol{A}}=\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}$

$\left (\boldsymbol{U}^{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{V} \right )^{T}\left ( \boldsymbol{U}^{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{V} \right )=\boldsymbol{V}^{T}\left (\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A} \right )\boldsymbol{V}=\begin{pmatrix} \sum_{r}^{2} &\boldsymbol{0} \\ \boldsymbol{0}& \boldsymbol{0} \end{pmatrix}$

其中， $\sum_{r}^{2}=diag\left ( \sigma_{1}^{2},\sigma_{2}^{2},\cdots ,\sigma_{r}^{2} \right )=diag\left ( \lambda_{1},\lambda_{2},\cdots ,\lambda_{r} \right )$

由此可以看出，若 $\tilde{\boldsymbol{A}}=\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}\in \mathbb{R}^{n\times n}$ ，通过计算矩阵 $\boldsymbol{A}$ 的奇异值 $\sigma_{i}$ ，便可矩阵 $\tilde{\boldsymbol{A}}$ 的特征值 $\lambda_{i}=\sigma_{i}^{2}$ ，而矩阵 $\boldsymbol{V}$ 即为矩阵 $\tilde{\boldsymbol{A}}$ 的特征向量。

情形2： $\boldsymbol{A}^{T}=\boldsymbol{A}, m=n$

若 $\boldsymbol{A}\boldsymbol{x}=\sigma \mathbf{x}$ ，则 $\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{x}=\sigma \boldsymbol{A}^{T} \boldsymbol{x}=\sigma \boldsymbol{A}\boldsymbol{x}=\sigma ^{2}\boldsymbol{x}$ ，也就是说， $\sigma^{2}$ 是 $\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}$ 的特征值， $\boldsymbol{x}$ 也是 $\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}$ 的特征向量。同时考虑到实对称矩阵 $\boldsymbol{A}$ 的秩为n，所以 $\boldsymbol{A}^{T}\boldsymbol{A}$ 的特征值/特征向量也是 $\boldsymbol{A}$ 的特征值/特征向量。

0.3 Householder变换

设 $\boldsymbol{w}\in \mathbb{R}^{n}$ ，且 $\boldsymbol{w}^{T}\boldsymbol{w}=1$ ，定义 $\boldsymbol{H}=I-2\boldsymbol{w}\boldsymbol{w}^{T}$ 为Householder变换。

对于非零向量 $\boldsymbol{x}\in \mathbb{R}^{n}$ ，可构造 $\boldsymbol{H}=I-2\boldsymbol{w}\boldsymbol{w}^{T}$ ，使得

$Hx=\alpha \boldsymbol{e}_{1}$

其中， $\alpha =\pm \left \| x \right \|_{2}$ ， $\boldsymbol{w}=\frac{x-\alpha e_{1}}{\left \| x-\alpha e_{1} \right \|_{2}}$ ， $\boldsymbol{e}_{1}^{T}=\begin{pmatrix} 1 &0 &\cdots &0 \end{pmatrix}\in \mathbb{R}^{1\times n}$ 。

设 $\boldsymbol{x}=\begin{pmatrix} \boldsymbol{x}^{\left ( 1 \right )}\\ \boldsymbol{x}^{\left ( 2 \right )} \end{pmatrix}$ ， $\boldsymbol{x}^{\left ( 1 \right )}=\boldsymbol{x}\left ( 1:k-1 \right )$ ， $\boldsymbol{x}^{\left ( 2 \right )}=\boldsymbol{x}\left ( k:n \right )$ ，对于 $\boldsymbol{H}_{k}=\begin{pmatrix} \boldsymbol{I}_{k-1} & \boldsymbol{0}\\ \boldsymbol{0} & \mathbf{H}^{\left (k \right )} \end{pmatrix}$ ，

$\boldsymbol{H}_{k}\boldsymbol{x}=\begin{pmatrix} \boldsymbol{I}_{k-1} & \boldsymbol{0}\\ \boldsymbol{0} & \mathbf{H}^{\left (k \right )} \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x^{\left ( 1 \right )}\\ x^{\left ( 2 \right )} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} x^{\left ( 1 \right )}\\ \boldsymbol{H}^{\left ( k \right )}x^{\left ( 2 \right )}\end{pmatrix}$

根据上述结论可知，可以构造 $\boldsymbol{H}^{\left (k \right )}$ ，使得 $\boldsymbol{H}^{\left ( k \right )}x^{\left ( 2 \right )}=\begin{pmatrix} -M\sigma _{k} & 0& 0& 0 \end{pmatrix}^{T}\in \mathbb{R}^{n-k+1}$

具体来说，可按照下述流程进行操作：

$M=max\left ( \left | x_{k} \right |,\left | x_{k+1} \right |,\cdots ,\left | x_{n} \right | \right )\\ x_{i}\leftarrow \frac{x_{i}}{M}\ \\ \sigma_{k}=sign\left ( x_{k} \right )\sum_{i=k}^{i=n}x_{i}^{2} \\ \boldsymbol{U}_{k}=\left ( \sigma_{k}+x_{k},x_{k+1},\cdots ,x_{n} \right )\in \mathbb{R}^{n-k+1} \\ \rho_{k}=\frac{1}{2}\boldsymbol{U}_{k}^{T}\boldsymbol{U}=\sigma_{k}\left ( \sigma_{k}+x_{k} \right )\\ \boldsymbol{H}^{\left ( k \right )}=\boldsymbol{I}-\frac{1}{\rho_{k}}\boldsymbol{U}_{k}\boldsymbol{U}_{k}^{T}=\boldsymbol{I}-\frac{\sigma_{k}+x_{k}}{\sigma_{k}}\frac{\boldsymbol{U}_{k}}{\sigma_{k}+x_{k}}\frac{\boldsymbol{U}_{k}^{T}}{\sigma_{k}+x_{k}}\in \mathbb{R}^{\left (n-k+1 \right )\times \left ( n-k+1 \right )}$

由此，通过Householder变换，可以将某一列向量的部分连续元素约化为0。

0.4 Givens变换

设 $\boldsymbol{e}_{1},\boldsymbol{e}_{2},\cdots ,\boldsymbol{e}_{n}$ 是n维Euclid空间 $\mathbb{R}^{n}$ 中的一组标准正交基， $\forall x, y \in \mathbb{R}^{n}$ ，则在平面 $\left ( \boldsymbol{e}_{i}, \boldsymbol{e}_{j}\right )$ 中存在旋转变换矩阵 $\boldsymbol{G}\left ( i,j,\theta \right )$ ，满足

$\boldsymbol{y}=\mathbf{G}\mathbf{x}$

其中，

$x=\begin{pmatrix} x\left ( 1:i-1 \right )\\ x_{i}\\ x\left ( i+1:j-1 \right )\\ x_{j}\\ x\left ( j+1:n \right ) \end{pmatrix}, y=\begin{pmatrix} x\left ( 1:i-1 \right )\\ 0\\ x\left ( i+1:j-1 \right )\\ \sqrt{x_{i}^{2}+x_{j}^{2}}\\ x\left ( j+1:n \right ) \end{pmatrix}$

$\boldsymbol{G}=\begin{pmatrix} \boldsymbol{I}_{i-1,i-1}& & & & \\ & cos\theta & & -sin\theta & \\ & & \boldsymbol{I}_{j-i-1,j-i-1}& & \\ & sin\theta & & cos\theta & \\ & & & & \boldsymbol{I}_{n-j,n-j} \end{pmatrix}$

$cos\theta =\frac{x_{i}}{\sqrt{x_{i}^{2}+x_{j}^{2}}},sin\theta =\frac{-x_{j}}{\sqrt{x_{i}^{2}+x_{j}^{2}}},r=\sqrt{x_{i}^{2}+x_{j}^{2}}$

由此可以看出，Givens变换可以将向量的某个元素约化为0。

一、大型矩阵特征值/特征向量的求解思路

大型矩阵 $\boldsymbol{A}$ 特征值/特征向量求解一般按照以下流程进行

将矩阵 $\boldsymbol{A}$ 约化为特征值/特征向量容易求解的矩阵 $\boldsymbol{H}$ ；
求解矩阵 $\boldsymbol{H}$ 的特征值/特征向量；
将矩阵 $\boldsymbol{H}$ 的特征值/特征向量转化成矩阵 $\boldsymbol{A}$ 约化为特征值/特征向量；

二、隐式QR计算矩阵奇异值分解

参考书籍

Golub G H , Loan C F V .Matrix Computations.Johns Hopkins University Press,1996.

Ford W .Numerical Linear Algebra with Applications using MATLAB. 2014.

徐树方. 数值线性代数(第二版). 北京大学出版社, 2010.

参考文献

Golub G. and Kahan W.. Calculating the Singular Values and Pseudo-Inverse of a Matrix. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics: Series B, Numerical Analysis, 1965, 2(2) : 205-224.

Demmel J., Kahan W.．Accurate Singular Values of Bidiagonal Matrices. SIAM Journal on Scientific and StatisticalComputing, 1990, 11(5):873-912.

P. A. Businger，G. H. Golub. Singular value decomposition of a complex matrix. communications of the acm, 1969.

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