中学社会669002 views
Computer368461 views
高校物理160543 views
英語614322 views
小学社会310647 views
世界の国564972 views
雑学1473717 views
数学講師2890703 views
MathPython498072 views
高校日本史190639 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

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、 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

を作る。 なら 次の対称行列になる。
固有値を大きい順に並べ、平方根をとって とする。
正規化した固有ベクトルを列に並べて を作る。
の分だけ を計算する。
足りない列は、 たちに直交する単位ベクトルで埋める。

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 で、特異値は 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 である。

特異値は必ず 以上になる。負号は の側へ吸収される。

問題 3

。大きい順に並べると

固有ベクトルは 。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

成分は 成分は

固有多項式は 。特異値は である。

の固有ベクトルは

になる。

問題 5

を計算すると、対角が 、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 である。

特異値は 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 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 で、どちらも正。

の固有値は なので、特異値は 。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 で、負のものがある。

の固有値は なので、特異値は 。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 の関係に移る。

問題 9

問題 4 の について、 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、 次、 次になる。小さいほうを選ぶ。

成分は 成分は 、非対角は

固有値は なので、特異値は 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。

正則な行列

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

階数が落ちた行列

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

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
__RESULT__

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

対称行列の場合も確かめる。

対称行列の固有値が のとき、特異値はどれですか。

__RESULT__

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 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、 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。

参考文献

Sergei Treil. *Linear Algebra Done Wrong*, Chapter 6. Brown University.
David Austin. *Singular Value Decompositions*/07%3A_The_Spectral_Theorem_and_singular_value_decompositions/7.04%3A_Singular_Value_Decompositions). Understanding Linear Algebra.
Yan-Bin Jia. *Singular Value Decomposition*. COMS 4770/5770 Notes, Iowa State University.
$A^{\mathsf{T}}A$ の固有値を求め、平方根をとる。それが特異値です。対称で半正定値なので固有値は必ず $0$ 以上、平方根が実数になることも保証されます。$V$ はその固有ベクトル、$U$ は $u_i = Av_i/\sigma_i$ で作る。12 問で、対角行列、$3 \times 2$、階数が落ちた行列、回転行列、対称行列の場合を追いました。特異値が固有値の絶対値になること、$0$ でない特異値の個数が階数になること、$\|A\|_2$ と $\|A\|_F$ と条件数の読み方、$\sigma = 0$ の方向を $0$ のまま残す擬似逆行列まで。横長なら $AA^{\mathsf{T}}$ を選ぶと計算が軽くなります。