对称矩阵、正定矩阵与二次型
层级:B|按需
1. 这组概念为何贯穿机器学习
协方差矩阵、核矩阵、Hessian、Gram 矩阵和正则化矩阵通常对称且半正定。它们通过二次型 xTAx 测量方向上的能量、方差或曲率。正定性决定距离是否合法、优化问题是否凸、矩阵是否可逆。
2. 对称矩阵
方阵 A 若
AT=A,
则为对称矩阵,即 aij=aji。例如
[2−1−13].
实对称矩阵可正交对角化:
A=QΛQT,
Q 列为标准正交特征向量,Λ 为实特征值对角矩阵。
任意方阵可分为对称与反对称部分:
A=2A+AT+2A−AT.
二次型只依赖对称部分,因为 xT(A−AT)x=0。
3. 二次型
q(x)=xTAx
称为二次型。二维展开:
[x1x2][abbc][x1x2]=ax12+2bx1x2+cx22.
对称矩阵的非对角项对应变量交互。
利用谱分解,令 z=QTx:
xTAx=zTΛz=i∑λizi2.
所以特征值决定各特征方向上的符号与曲率。
4. 正定与半正定
对实对称矩阵 A:
- 正定(PD),记 A≻0:对所有非零 x,xTAx>0;
- 半正定(PSD),记 A⪰0:对所有 x,xTAx≥0;
- 负定/半负定:相应二次型始终负/非正;
- 不定:二次型在不同方向可正可负。
正定矩阵一定可逆;半正定矩阵可能奇异。单位矩阵正定。投影矩阵 PSD 但若投影到真子空间则不正定,因为被丢弃方向上二次型为 0。
5. 特征值判据
实对称矩阵:
- A≻0 当且仅当所有特征值 >0;
- A⪰0 当且仅当所有特征值 ≥0;
- 不定当且仅当既有正特征值又有负特征值。
正定还有 Sylvester 判据:所有左上主子式行列式为正。实际高维判断常尝试 Cholesky 分解或检查对称特征值。
6. Gram 矩阵总是半正定
对任意矩阵 X:
G=XTX.
它对称,且对任意 v:
vTGv=vTXTXv=∥Xv∥22≥0.
所以 XTX⪰0。它正定当且仅当 X 满列秩。这个一行证明应熟练掌握。
7. 协方差矩阵为什么半正定
Σ=E[(X−μ)(X−μ)T].
对任意 v:
vTΣv=Var(vTX)≥0.
因此协方差矩阵对称半正定;二次型就是随机向量沿方向 v 的方差。若某方向无任何变化,方差为零,矩阵奇异。
8. Hessian 与曲率
二次函数
f(x)=21xTAx−bTx+c
在 A 对称时
∇f(x)=Ax−b,∇2f(x)=A.
- A⪰0:f 凸;
- A≻0:f 严格凸,有唯一全局极小点;
- A 不定:存在向上和向下弯曲方向,驻点可能是鞍点。
9. Mahalanobis 距离与椭球
(x−μ)TΣ−1(x−μ)=c
描述椭球等高面。Σ 的特征向量给椭球主轴,特征值平方根控制轴长。高斯密度在这些椭球上相等。
若矩阵只 PSD,xTMx 可能对不同点给出零“距离”,称半度量;要成为严格 Mahalanobis 距离通常需要正定。
10. 正则化如何改善正定性
若 XTX 仅半正定,加入
XTX+λI,λ>0
会把每个特征值增加 λ,得到正定矩阵。这让岭回归解唯一并改善条件数,同时对应 L2 参数惩罚。
易错点
- 对称不等于正定。
- 正定概念通常针对对称/Hermitian 矩阵讨论。
- PSD 可以有零特征值,因此不一定可逆。
- xTAx≥0 只检查若干样本向量不能证明对所有向量成立。
- 数值误差可能让理论 PSD 矩阵出现极小负特征值,应结合容差。
常见问答
Q1:核矩阵为什么必须 PSD?
合法核相当于某特征空间的内积,任意样本 Gram 矩阵都应满足 cTKc=∥∑iciϕ(xi)∥2≥0。
Q2:严格凸是否一定只有一个最小值?
在凸可行域且最小值存在时,是。正定 Hessian 是常用充分条件,但严格凸函数不必处处 Hessian 正定。
Q3:协方差为何会不可逆?
可能样本数少于维度、特征线性相关或某特征零方差,导致至少一个方向方差为零。
练习
- 判断 diag(2,0) 是正定还是半正定。
- 判断 diag(2,−1) 的二次型性质。
- 证明 AAT 半正定。
- 若对称矩阵特征值为 1,3,5,它是否正定、是否可逆?
- 解释向 A 加 λI 如何改变特征值。
答案与提示
- 半正定但非正定。
- 不定。
- xTAATx=∥ATx∥2≥0。
- 正定且可逆。
- 特征向量不变,每个特征值增加 λ。