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[人工智能]20220312 矩阵许瓦茨不等式

A , B \boldsymbol{A}, \boldsymbol{B} A,B m × n m \times n m×n 矩阵, m > n , B m>n, \boldsymbol{B} m>n,B 的秩为 n n n,称为矩阵许瓦茨不等式。

证明: 设有两个 n n n 维向量 λ \boldsymbol{\lambda} λ α \boldsymbol{\alpha} α 如下:
λ = [ λ 1 λ 2 ? λ n ] T , α = [ α 1 α 2 ? α n ] T \boldsymbol{\lambda}=\left[\begin{array}{llll}\lambda_{1} & \lambda_{2} & \cdots & \lambda_{n}\end{array}\right]^{\mathrm{T}}, \quad \boldsymbol{\alpha}=\left[\begin{array}{llll}\alpha_{1} & \alpha_{2} & \cdots & \alpha_{n}\end{array}\right]^{\mathrm{T}} λ=[λ1??λ2????λn??]T,α=[α1??α2????αn??]T考虑下面非负定的标量乘积 ( B λ + A α ) T ( B λ + A α ) ? 0 (\boldsymbol{B} \boldsymbol{\lambda}+\boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha})^{\mathrm{T}}(\boldsymbol{B} \boldsymbol{\lambda}+\boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha}) \geqslant 0 (Bλ+Aα)T(Bλ+Aα)?0只有 B λ + A α = 0 \boldsymbol{B} \boldsymbol{\lambda}+\boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha}=\mathbf{0} Bλ+Aα=0 时,上式的等号才成立。
展开上式,可得
λ T B T B λ + α T A T B λ + λ T B T A α + α T A T A α ? 0 \boldsymbol{\lambda}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B} \boldsymbol{\lambda}+\boldsymbol{\alpha}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B} \boldsymbol{\lambda}+\boldsymbol{\lambda}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\alpha}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha} \geqslant 0 λTBTBλ+αTATBλ+λTBTAα+αTATAα?0因为假定 B \boldsymbol{B} B 是满秩的, 所以 ( B T B ) ? 1 \left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1} (BTB)?1 存在, 可将上式写成
[ λ + ( B T B ) ? 1 B T A α ] T B T B [ λ + ( B T B ) ? 1 B T A α ] + α T [ A T A ? ( A T B ) T ( B T B ) ? 1 ( B T A ) ] α ? 0 \begin{aligned}{\left[\boldsymbol{\lambda}+\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha}\right]^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\left[\boldsymbol{\lambda}+\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha}\right]+}\boldsymbol{\alpha}^{\mathrm{T}}\left[\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}-\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}\right)\right] \boldsymbol{\alpha} \geqslant 0 \end{aligned} [λ+(BTB)?1BTAα]TBTB[λ+(BTB)?1BTAα]+αT[ATA?(ATB)T(BTB)?1(BTA)]α?0?
上式对于任意 λ \lambda λ α \boldsymbol{\alpha} α 都成立。选 λ \lambda λ
λ = ? ( B T B ) ? 1 B T A α \boldsymbol{\lambda}=-\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1} \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \boldsymbol{\alpha} λ=?(BTB)?1BTAα
则上式变成 α T [ A T A ? ( A T B ) T ( B T B ) ? 1 ( B T A ) ] α ? 0 \quad \boldsymbol{\alpha}^{\mathrm{T}}\left[\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}-\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}\right)\right] \boldsymbol{\alpha} \geqslant 0 αT[ATA?(ATB)T(BTB)?1(BTA)]α?0因为 α \boldsymbol{\alpha} α 是任意的,只有当 [ A T A ? ( A T B ) T ( B T B ) ? 1 ( B T A ) ] \left[\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}-\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}\right)\right] [ATA?(ATB)T(BTB)?1(BTA)] 是非负定时,这个二次型才是非负定的, 因此有式
A T A ? ( A T B ) T ( B T B ) ? 1 ( B T A ) \boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A} \geqslant\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{\mathrm{T}}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{B}\right)^{-1}\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{A}\right) ATA?(ATB)T(BTB)?1(BTA)证毕。

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加:2022-03-13 21:47:25  更:2022-03-13 21:51:10 
 
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