Nombre de dos técnicas diferentes basadas en la descomposición en valores singulares
En álgebra lineal , la descomposición en valores singulares generalizada ( GSVD ) es el nombre de dos técnicas diferentes basadas en la descomposición en valores singulares (SVD) . Las dos versiones difieren porque una versión descompone dos matrices (de manera similar a la SVD de orden superior o tensorial ) y la otra versión utiliza un conjunto de restricciones impuestas sobre los vectores singulares izquierdo y derecho de una SVD de matriz única.
Primera versión: descomposición en dos matrices
La descomposición en valores singulares generalizada ( GSVD ) es una descomposición matricial en un par de matrices que generaliza la descomposición en valores singulares . Fue introducida por Van Loan [1] en 1976 y desarrollada posteriormente por Paige y Saunders , [2] que es la versión descrita aquí. A diferencia de la SVD, la GSVD descompone simultáneamente un par de matrices con el mismo número de columnas. La SVD y la GSVD, así como algunas otras posibles generalizaciones de la SVD, [3] [4] [5] se utilizan ampliamente en el estudio del condicionamiento y regularización de sistemas lineales con respecto a seminormas cuadráticas . En lo que sigue, sea , o .
Definición
La descomposición en valores singulares generalizada de matrices y es donde
es una diagonal en bloque real no negativa, donde con , , y ,
,
,
,
.
Denotamos , , , y . Si bien es diagonal, no siempre es diagonal, debido a la matriz cero rectangular principal; en cambio, es "diagonal inferior derecha".
Variaciones
Existen muchas variaciones de la GSVD. Estas variaciones están relacionadas con el hecho de que siempre es posible multiplicar desde la izquierda por donde es una matriz unitaria arbitraria. Denotamos
, donde es triangular superior e invertible, y es unitaria. Dichas matrices existen mediante descomposición RQ .
. Entonces es invertible.
A continuación se muestran algunas variaciones del GSVD:
Un valor singular generalizado de y es un par tal que
Tenemos
Por estas propiedades podemos demostrar que los valores singulares generalizados son exactamente los pares . Tenemos Por lo tanto
Esta expresión es cero exactamente cuando y para algún .
En [2] se afirma que los valores singulares generalizados son aquellos que resuelven . Sin embargo, esta afirmación solo se cumple cuando , ya que de lo contrario el determinante es cero para cada par ; esto se puede ver sustituyendo arriba.
Inversa generalizada
Defina para cualquier matriz invertible , para cualquier matriz cero , y para cualquier matriz diagonal en bloques. Luego defina Se puede demostrar que como se define aquí es una inversa generalizada de ; en particular, una -inversa de . Dado que en general no satisface , esta no es la inversa de Moore-Penrose ; de lo contrario, podríamos derivar para cualquier elección de matrices, lo que solo se cumple para cierta clase de matrices .
Supongamos que , donde y . Esta inversa generalizada tiene las siguientes propiedades:
Cociente SVD
Una razón singular generalizada de y es . Por las propiedades anteriores, . Nótese que es diagonal, y que, ignorando los ceros iniciales, contiene las razones singulares en orden decreciente. Si es invertible, entonces no tiene ceros iniciales, y las razones singulares generalizadas son los valores singulares, y y son las matrices de vectores singulares, de la matriz . De hecho, calcular la SVD de es una de las motivaciones para la GSVD, ya que "formar y encontrar su SVD puede conducir a errores numéricos innecesarios y grandes cuando está mal condicionado para la solución de ecuaciones". [2] De ahí el nombre usado a veces "SVD del cociente", aunque esta no es la única razón para usar GSVD. Si no es invertible, entonces sigue siendo la SVD de si relajamos el requisito de tener los valores singulares en orden decreciente. Alternativamente, una SVD de orden decreciente se puede encontrar moviendo los ceros iniciales hacia atrás: , donde y son matrices de permutación apropiadas. Dado que el rango es igual al número de valores singulares distintos de cero, .
Construcción
Dejar
sea la SVD de , donde es unitaria, y y son como se describe,
, donde y ,
, donde y ,
por la SVD de , donde , y son como se describen,
mediante una descomposición similar a una descomposición QR , donde y son como se describe.
Entonces también tenemos Por lo tanto Dado que tiene columnas ortonormales, . Por lo tanto También tenemos para cada tal que que Por lo tanto , y
Aplicaciones
La GSVD, formulada como una descomposición espectral comparativa, [6] se ha aplicado con éxito al procesamiento de señales y a la ciencia de datos, por ejemplo, en el procesamiento de señales genómicas. [7] [8] [9]
Estas aplicaciones inspiraron varias descomposiciones espectrales comparativas adicionales, es decir, la GSVD de orden superior (HO GSVD) [10] y la GSVD tensorial. [11] [12]
También ha encontrado aplicaciones para estimar las descomposiciones espectrales de operadores lineales cuando las funciones propias se parametrizan con un modelo lineal, es decir, un espacio de Hilbert de núcleo reproductor . [13]
Segunda versión: descomposición ponderada de matriz única
La versión ponderada de la descomposición en valores singulares generalizada ( GSVD ) es una descomposición matricial restringida con restricciones impuestas a los vectores singulares izquierdo y derecho de la descomposición en valores singulares . [14] [15] [16] Esta forma de la GSVD es una extensión de la SVD como tal. Dado el SVD de una matriz real o compleja de m×n M
dónde
Donde I es la matriz identidad y donde y son ortonormales dadas sus restricciones ( y ). Además, y son matrices definidas positivas (a menudo matrices diagonales de pesos). Esta forma de la GSVD es el núcleo de ciertas técnicas, como el análisis de componentes principales generalizado y el análisis de correspondencias .
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Lectura adicional
Golub G, Van Loan C (1996). Matrix Computation (Tercera edición). Baltimore: Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-5414-8.