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条件数

由于一般矩阵A的特征问题也可以写成广义特征问题A - \lambda I,因此第2.5.5节中关于条件性的所有评论在这里都适用:特征值可以是良态的或病态的,小的扰动甚至可能导致特征向量完全消失。

B是奇异矩阵时,A - \lambda B至少有一个无穷大的特征值。为了讨论B的小扰动对无穷大特征值造成的“小扰动”,我们需要一个适当的定义。这由弦度量(chordal metric)提供,我们以几种等价的方式描述它。 首先,任何特征值\lambda_i,无论是有限的还是无限的,总可以写成比率\alpha_i / \beta_i,其中\vert\alpha_i\vert^2 + \vert\beta_i\vert^2=1。 例如,如果对于某个\theta\vert\lambda_i\vert = \tan \theta,那么 \vert\alpha_i\vert = \sin \theta\vert\beta_i\vert = \cos \theta弦度量 \chi ( \lambda_1 , \lambda_2 ) = \sin \tau, 其中\tau是两个向量(\alpha_1 , \beta_1)(\alpha_2 , \beta_2)之间的锐角。 我们可以这样计算 \chi ( \lambda_1 , \lambda_2 ) = \vert \alpha_1 \beta_2 - \alpha_2 \beta_1 \vert 或者 \chi ( \lambda_1 , \lambda_2 ) =\frac{\vert \lambda_1 - \lambda_2 \vert}{\sqrt{1 + \vert\lambda_1\vert^2} \sqrt{1 + \vert\lambda_2\vert^2}} 如果\lambda_1\lambda_2都不是无穷大。 例如,如果\lambda_1 = 1/0是无穷大,而 \lambda_2 = \sqrt{1-10^{-16}}/10^{-8} \approx 10^8非常大, 那么\chi ( \lambda_1 , \lambda_2 ) = 10^{-8}很小, 因此\lambda_1\lambda_2很接近。

另一种理解弦长度量的几何方法是使用黎曼球面[4]:想象一个半径为1、中心在复平面原点的三维球体;球体的表面就是黎曼球面。对于复平面上的任何\lambda,画一条连接\lambda和黎曼球面北极的直线,并设\hat{\lambda}是这条直线与黎曼球面相交的点。 那么\chi ( \lambda_1 , \lambda_2 )就是黎曼球面上两个点\hat{\lambda}_1\hat{\lambda}_2之间的欧几里得距离。

弦度量用于测量第8.8节中特征值的变化。例如,1 - \lambda \cdot 0的单一无穷大特征值是良态的,因为将0变为10^{-8}可以将无穷大特征值变为10^8, 而 \chi ( 10^8 , \infty ) \approx 10^{-8}

我们在第8.8节阐述更多细节。



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Susan Blackford 2000-11-20