02-6:向量范数和矩阵范数的相容性

Last updated on November 23, 2025 pm

矩阵论02-6:向量范数和矩阵范数的相容性

1 定义

矩阵和矩阵之间乘法对于范数来说要满足相容性,矩阵和向量同样是可以相乘的,这就引出了矩阵和向量的相容性。

设∣∣⋅∣∣β||\cdot||_\beta是Cn×nC^{n\times n}(或Rn×nR^{n\times n})上的矩阵范数,∣∣⋅∣∣α||\cdot||_\alpha是CnC^n(或R^n)上的向量范数,如果∀A∈Cn×n\forall A\in C^{n\times n},∀x∈Cn\forall x\in C^n都有

∣∣Ax∣∣α≤∣∣A∣∣β∣∣x∣∣α||Ax||_\alpha \leq ||A||_\beta ||x||_\alpha

则称矩阵范数∣∣⋅∣∣β||\cdot||_\beta与向量范数∣∣⋅∣∣α||\cdot||_\alpha是相容的。

1.1 性质

定理:对于给定的矩阵范数,一定存在与之相容的向量范数。给出向量范数,也能够找到与之相容的矩阵范数。

  1. 矩阵的m1m_1范数与向量的1-范数相容
  2. 矩阵的m2m_2范数与向量的2-范数相容
  3. 矩阵的∞\infty-范数与向量的1-范数,2-范数,∞\infty-范数都相容

2 算子范数

引理:给定CnC^n上的向量范数∣∣⋅∣∣v||\cdot||_v,∀A∈Cn×n\forall A\in C^{n\times n},定义

∣∣A∣∣=max⁡x≠θ∣∣Ax∣∣v∣∣x∣∣v||A|| = \max_{x\neq \theta}\frac{||Ax||_v}{||x||_v}

则∣∣⋅∣∣||\cdot||是Cn×nC^{n\times n}上与向量范数∣∣⋅∣∣v||\cdot||_v相容的矩阵范数。这里的式子表示取xx,使得这个分式的值最大,并且xx不能取0向量。所以是一种有约束的函数极值。

算子范数:此时称∣∣⋅∣∣||\cdot||为由向量范数∣∣⋅∣∣v||\cdot||_v导出的算子范数,或者从属于向量范数∣∣⋅∣∣v||\cdot||_v的矩阵范数。

定理:由引理定义的实值函数∣∣A∣∣||A||是一种和定义中用到的向量范数∣∣x∣∣v||x||_v相容的矩阵范数。

2.1 算子范数的其它形式

  1. 约束条件为∣∣x∣∣v=1||x||_v=1

    ∣∣A∣∣=max⁡∣∣x∣∣v=1∣∣Ax∣∣v||A|| = \max_{||x||_v=1}||Ax||_v

  2. 约束条件为∣∣x∣∣v≤1||x||_v \leq 1

    ∣∣A∣∣=max⁡∣∣x∣∣v≤1∣∣Ax∣∣v||A|| = \max_{||x||_v\leq 1}||Ax||_v

这两个都是∣∣⋅∣∣v||\cdot||_v诱导出的算子范数。

2.2 几种特殊的算子范数

矩阵1-范数:

∣∣A∣∣1=max⁡j∑i=1n∣aij∣||A||_1 = \max_{j}\sum_{i=1}^n |a_{ij}|

是从属于向量1-范数的矩阵1-范数。注意到这是在对第jj列元素的模求和,然后再挑选求和结果最大的一列。这个范数也叫做列和范数

矩阵∞\infty-范数:

∣∣A∣∣∞=max⁡1≤i≤n∑j=1n∣aij∣||A||_\infty = \max_{1\leq i\leq n}\sum_{j=1}^n |a_{ij}|

是从属于向量∞\infty-范数的矩阵∞\infty-范数。注意这是在对第ii行元素的模求和,然后再挑选结果最大的一行。这个范数也叫做行和范数。

矩阵2-范数:

∣∣A∣∣2=λM=σ1||A||_2 = \sqrt{\lambda_M} = \sigma_1

其中λM=max⁡{λ:det(λI−AHA)=0}\lambda_M = \max\{\lambda: det(\lambda I - A^HA)=0\},也就是矩阵AHAA^HA的最大特征值。是从属于向量#2-范数的矩阵2-范数。在这个范数又叫做谱范数,以及A的最大正奇异值。

这几个矩阵范数注意与矩阵m-范数区分

谱范数的一些性质:

  1. ∣∣A∣∣2=max⁡x,y{∣yHAx∣ ∣ ∣∣x∣∣2=1,∣∣y∣∣2=1}||A||_2 = \max\limits_{x, y}\{|y^HAx| \ | \ ||x||_2=1, ||y||_2=1\}
  2. ∣∣A∣∣2=∣∣Aˉ∣∣2=∣∣AT∣∣2=∣∣AH∣∣2||A||_2 = ||\bar A||_2 = ||A^T||_2 = ||A^H||_2
  3. ∣∣AHA∣∣2=∣∣A∣∣22||A^HA||_2=||A||_2^2
  4. ∣∣A∣∣2=∣∣UAV∣∣2||A||_2 = ||UAV||_2, ∀U,V∈Un×n\forall U,V\in U^{n\times n},可视作酉不变性

2.3 谱半径

矩阵A∈Cn×nA\in C^{n\times n}的谱半径ρ(A)\rho(A)是

ρ(A)=max⁡{∣λ∣:λ是A的特征值}\rho(A) = \max\{|\lambda|: \lambda 是A的特征值\}

也就是最大特征值的模。

定理5:如果∣∣⋅∣∣||\cdot||是任意的矩阵范数,且A∈Cn×nA\in C^{n\times n},则

ρ(A)≤∣∣A∣∣\rho(A)\leq ||A||

谱半径并非一个矩阵范数,但对于一个矩阵AA来说,谱半径是它所有矩阵范数值的
最大下界。矩阵范数是大于等于谱半径的。


02-6:向量范数和矩阵范数的相容性
https://lynx-li.github.io/2023/09/13/master/matrixanalysis/vecmatnorm/
Author
Lynx Li
Posted on
September 13, 2023
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