奇异值分解的原理与使用

奇异值分解的原理与使用

奇异值分解的原理

特征值和特征向量

特征值和特征向量的定义如下:

$$
Ax = \lambda x
\tag{1}
$$

其中,$\lambda$是一个标量,$x$是一个向量,$\lambda$称作矩阵$A$的特征值,$x$是其对应的特征向量。

求得所有特征值和特征向量后,我们就可以对矩阵 A 进行特征分解。具体如下:

$$
A = W \Sigma W^{-1}
\tag{2}
$$

其中,$W$是由$A$的所有特征向量组成的$n\times n$维矩阵。$\Sigma$是以$A$的所有特征值$\lambda_1,\lambda_2,\dots,
\lambda_n$为对角线的对角矩阵。我们一般会把$W$的这$n$个特征向量标准化,即满足$||w_i|| = 1$或者$w_i^T \cdot w_i = w_i^T
w_i=1$,此时,$W$的$n$个向量为标准正交基。

故:

$$
W^{-1} = W^T
\tag{3}
$$

这样我们的特征分解表达式可以写成

$$
A = W \Sigma W^T
\tag{4}
$$

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名称 英文 符号 说明
选择 select $\sigma$ 类似于 SQL 中的 where
投影 project $\sqcap$ 类似于 SQL 中的 select
union $\cup$ 类似于 SQL 中的 union
集合差 set-difference $-$ SQL中没有对应的操作符
笛卡儿积 Cartesian-product $\times$ 类似于 SQL 中不带 on 条件的 inner join
重命名 rename $\rho$ 类似于 SQL 中的 as
集合交 intersection $\cap$ SQL中没有对应的操作符
自然连接 natural join $\Join$ 类似于 SQL 中的 inner join
赋值 assignment
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伯努利分布($Bernoulli \ distribution$)就是对单次抛硬币的建模,伯努利分布的概率密度函数($PDF, Probability\ Density
Function $)为:

$$
f(x) = p^x(1-p)^{1-x}
\tag{1.1}
$$

$$
P(X=x) = \left\lbrace
\begin{align}
1-p \qquad &, x = 0 \\
p \qquad &, x = 1
\end{align}
\right.
\tag{1.2}
$$

随机变量$x$只能取${0,1}$。对于所有的$PDF$,都要归一化!而这里对于伯努利分布,已经天然归一化了,因此归一化参数就是$1$。

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标量、向量、矩阵、张量可以分别理解为0阶、1阶、2阶和多阶数组,对应着0维、1维、2维和多维空间,每一个单位量的元素个数可以看做是维数,如:

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