特異値分解を手で求める - 固有値から特異値へ進む演習
の固有値を求め、平方根をとると特異値になる[2]。手計算はこの一手で始まる。
は対称で半正定値なので、固有値は必ず 以上。平方根が実数になることが保証されている[1]。
固有ベクトルを並べたものが 、 で作るのが である。
以下 12 問。特異値だけを求める問題から、 と を組み立てる問題、ノルムや擬似逆行列への応用まで並べた。
手順
と の小さいほうを選ぶと計算が軽い。 が横長なら のほうが小さくなる[2]。
の列は の固有ベクトル、 の列は の固有ベクトルである[3]。どちらから出発しても、同じ分解に着く。
問題 1
。固有値は と で、特異値は と である。
対角行列で成分が正なら、特異値は対角成分そのものになる。
問題 2
で、問題 1 と同じ。特異値も と である。
特異値は必ず 以上になる。負号は か の側へ吸収される。
問題 3
。大きい順に並べると 、 で 、。
固有ベクトルは が 、 が 。この順に並べて を作る。
、。 列目は残る方向の で埋める。
問題 4
の 成分は 、 成分は 。
固有多項式は で 。特異値は と である。
の固有ベクトルは 、 は 。
になる。
問題 5
を計算すると、対角が と 、非対角が 。
トレースは 、行列式は 。和が で積が なので、固有値は と である。
特異値は と 。 でない特異値が 個なので、階数は [2]。
実際 の第 2 行は第 1 行の 倍で、行が一次従属になっている。
問題 6
回転行列の特異値を求めよ。
なので、固有値はどちらも 。特異値は と である。
長さを変えない写像なので、単位円が単位円のまま移る。楕円がつぶれも伸びもしない。
直交行列の特異値はすべて 。逆に、特異値がすべて の正方行列は直交行列である[1]。

問題 7
対称で正定値である。固有値は と で、どちらも正。
の固有値は と なので、特異値は と 。固有値と一致した。
対称正定値なら、特異値と固有値が同じになる。 の固有値が で、平方根をとると に戻るためである。
問題 8
対称だが固有値は と で、負のものがある。
の固有値は と なので、特異値は と 。負号が消えている。
対称行列の特異値は、固有値の絶対値になる。符号の情報は と の関係に移る。
問題 9
問題 4 の について、 と を求めよ。
作用素ノルムは最大特異値なので 。
フロベニウスノルムは特異値の二乗和の平方根である。 より 。
成分から直接計算しても確かめられる。 で一致する。
問題 10
問題 4 の の条件数を求めよ。
条件数は最大と最小の特異値の比である。
に近いほど扱いやすく、大きいほど計算が不安定になる。 なら条件数は無限大で、正則ではない。
問題 11
なので、 は 次、 は 次になる。小さいほうを選ぶ。
の 成分は 、 成分は 、非対角は 。
固有値は と なので、特異値は と 。 でないものが 個なので階数は である。
次の を計算しても、固有値は で同じ答えに着く。 が 1 つ増えるだけ。
問題 12
問題 5 の の擬似逆行列を求めよ。
、、 である。
階数 なので と書ける。擬似逆行列は でない特異値だけ逆数にする。
の方向は逆数がとれないので、そのまま にする。ここが逆行列との違いである。
特異値がすべて正。逆行列があり、 をすべて逆数にすればよい
の特異値がある。逆行列はなく、 の方向を のまま残した擬似逆行列を使う
か の小さいほうを作る
固有値の平方根で特異値を出す
で残りを埋める
補足
特異値は、単位円が楕円へ移るときの軸の長さにあたる。 が長軸、 が短軸である[1]。
の特異値がある行列は、その方向をつぶす。つぶれた次元の数が になる。
手計算では の固有値を求めるので、 の情報が 乗されて渡る。数値計算ではこの 乗が精度を落とすため、別の手順が使われる。
の固有値が 、、 でした。 の特異値と階数はどれですか。
- 特異値 、階数
- 特異値 、階数
- 特異値 、階数
対称行列の場合も確かめる。
対称行列の固有値が と のとき、特異値はどれですか。
- と
- と
- と
特異値は の固有値 の平方根で、どちらも です。特異値は定義から 以上になるので、負の値は出ません。符号は と の側に移ります。
を作って固有値を出し、平方根をとる。 はその固有ベクトル、 は を長さで割ったもの。手順としては、対称行列の対角化に 段足しただけである。












平方根をとって 4,3,0 です。0 でない特異値が 2 個なので階数は 2。特異値の個数は固有値の個数と同じで、0 のものも数に含めます。