특잇값
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1. 개요
특잇값은 실수체 또는 복소수체 상의 힐베르트 공간 사이의 콤팩트 작용소에 대해 정의되는 값으로, 다양한 정의와 성질을 갖는다. 고윳값을 통해 정의하거나, 특잇값 분해를 통해 정의할 수 있으며, 유한 차원 힐베르트 공간에서는 기하학적으로도 해석 가능하다. 특잇값은 작용소 노름과 관계가 있으며, 행렬의 전치, 공액, 유니타리 행렬과의 관계, 고윳값과의 관계, 대각합과의 관계, 행렬식과의 관계 등 다양한 기본 성질을 갖는다. 특잇값은 부분 행렬, 행렬 합, 행렬 곱에 대한 부등식, 특잇값과 고윳값 간의 부등식 등 다양한 부등식을 만족하며, 신호 처리, 통계학 분야에서 주성분 분석 등으로 응용된다. 특잇값 개념은 1907년 에르하르트 슈미트에 의해 도입되었으며, 1937년 프랭크 스미디스에 의해 '특잇값'이라는 용어로 명명되었다.
가 실수체 또는 복소수체일 때, 두 - 힐베르트 공간 , 사이의 콤팩트 작용소 의 특잇값 및 왼쪽·오른쪽 특이 벡터는 여러 방법으로 정의할 수 있다.
2. 정의
다음과 같이 표기한다.
이 경우, 특잇값은 다음과 같이 정의된다.
:
특잇값은 행렬에 대해 정의된다. (고윳값은 정사각행렬에서만 정의된다.)
2. 1. 고윳값을 통한 정의
에르미트 수반 행렬의 고윳값과 고유 벡터를 이용하여 특잇값 및 특이 벡터를 정의한다.
가 실수체 또는 복소수체라고 하자. 두 -힐베르트 공간 , 사이의 콤팩트 작용소 가 주어졌을 때, 그 에르미트 수반 을 사용하여, 작용소 및 를 정의할 수 있다. 이들은 자기 수반 작용소를 이루며, 따라서 이 둘의 실수 고윳값들을 정의할 수 있다. 이들은 항상 음이 아닌 실수이다.
와 의 고윳값들 가운데, 0이 아닌 것들은 서로 일치하며, 그 중복수 또한 일치한다. 0의 경우, 다음과 같은 세 가지가 가능하다.
이 경우, 특잇값들과 그 중복수는 각각 다음과 같다.
이 경우, 주어진 특잇값에 대응하는 '''왼쪽 특이 벡터'''는 에서의 고유 벡터이며, 주어진 특잇값에 대응하는 '''오른쪽 특이 벡터'''는 에서의 고유 벡터이다.
다음과 같이 표기한다.
머리말 부분의 정의를 수학 기호로 쓰면 다음과 같다.
:
특잇값은 행렬에 대해 정의된다(고유값은 정사각 행렬에서만 정의된다).
2. 2. 특잇값 분해를 통한 정의
가 실수체 또는 복소수체라고 하고, 두 -힐베르트 공간 , 사이의 콤팩트 작용소
:
는 항상 다음과 같은 꼴로 표현될 수 있으며, 이를 '''슈미트 표현'''(Schmidt representation영어)[8] 또는 '''특잇값 분해'''라고 한다.
:
4. 특잇값 관련 부등식
부분 행렬, 행렬 합, 행렬 곱 등 다양한 행렬 연산에서의 특잇값 관련 부등식은 하위 섹션에서 상세히 다룬다.[2]
4. 1. 부분 행렬의 특잇값
B 를A 의 행 또는 열 중 하나를 삭제한 행렬이라고 하면, 다음이 성립한다.
:
B 를A 의 행과 열을 각각 하나씩 삭제한 행렬이라고 하면, 다음이 성립한다.
:
B 를A 의(m-k)\times(n-\ell) 부분 행렬이라고 하면, 다음이 성립한다.
:
4. 2. 행렬 합의 특잇값
두 행렬\sum_{i=1}^{k} \sigma_i(A + B) \leq \sum_{i=1}^{k} (\sigma_i(A) + \sigma_i(B)), \quad k=\min \{m,n\}
\sigma_{i+j-1}(A + B) \leq \sigma_i(A) + \sigma_j(B). \quad i,j\in\mathbb{N},\ i + j - 1 \leq \min \{m,n\}
4. 3. 행렬 곱의 특잇값
\prod_{i=n}^{i=n-k+1} \sigma_i(A) \sigma_i(B) &\leq \prod_{i=n}^{i=n-k+1} \sigma_i(AB) \\
\prod_{i=1}^k \sigma_i(AB) &\leq \prod_{i=1}^k \sigma_i(A) \sigma_i(B), \\
\sum_{i=1}^k \sigma_i^p(AB) &\leq \sum_{i=1}^k \sigma_i^p(A) \sigma_i^p(B),
\end{align}
4. 4. 특잇값과 고윳값 관련 부등식
- 바일 정리에 의해,
\left|\lambda_1(A)\right| \geq \cdots \geq \left|\lambda_n(A)\right| 이라고 가정하면,k = 1, 2, \ldots, n 에 대해 다음이 성립한다.[4]
::
p>0 에 대해 다음이 성립한다.
::
- 다음이 성립한다.
::
- 행렬 A가 m = n인 정방 행렬의 경우에는 다음이 성립한다.
- * 바일 부등식
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A^p 의 특잇값을\sigma_i^{(p)} 로 하고,
::
로 정렬할 때, 다음 식이 성립한다.[6]
::
이 공식은 힐베르트 공간상의 콤팩트 작용소에 대해서도 성립한다.[7]
5. 역사
에르하르트 슈미트는 1907년에 특잇값 개념을 도입하였다.[9] 슈미트는 특잇값을 "고윳값"(Eigenwertde)이라고 일컬었으나, 이후 1937년에 프랭크 스미디스(Frank Smithies영어, 1912~2002)가 "특잇값"(singular value영어)이라는 용어를 도입하였다.[10]
1957년, 알라베르디예프는 ''n''번째 특잇값에 대한 다음 특징을 증명했다.[5]
:
이 공식화는 특잇값의 개념을 바나흐 공간의 연산자로 확장하는 것을 가능하게 했다.
6. 응용
행렬의 특잇값 분해는 신호 처리와 통계학 등의 분야에서 자주 사용된다. 특히, 통계학에서 특잇값 분해를 통한 분석은 '''주성분 분석'''이라고 불린다.
참조
[1]
서적
Applied Numerical Linear Algebra
http://epubs.siam.or[...]
Society for Industrial and Applied Mathematics
1997-01
[2]
서적
Topics in Matrix Analysis
Cambridge University Press
1991
[3]
서적
Matrix Inequalities
Springer-Verlag
2002
[4]
서적
Matrix Analysis
Springer-Verlag
1997
[5]
서적
Introduction to the Theory of Linear Non-selfadjoint Operators
American Mathematical Society
1969
[6]
논문
On the extreme values of the roots of matrices
1967
[7]
논문
On a theorem of Yamamoto
1970
[8]
저널
"''p''-nuclear operators in the sense of Grothendieck"
2010-02
[9]
서적
Zur Theorie der linearen und nichtlinearen Integralgleichungen. I. Teil: Entwicklung willkürlicher Funktionen nach Systemen vorgeschriebener
http://resolver.sub.[...]
2017-01-18
[10]
저널
The eigenvalues and singular values of integral equations
1937
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