矩阵条件数

矩阵A的条件数 condition number) 等于A的范数与A的逆的范数的乘积,即cond(A)=‖A‖·‖A^(-1)‖,对应矩阵的3种范数,相应地可以定义3种条件数。 函数 cond(A,1)、cond(A)或cond(A inf) 是判断矩阵病态与否的一种度量,条件数越大矩阵越病态。

条件数事实上表示了矩阵计算对于误差的敏感性。对于线性方程组Ax=b,如果A的条件数大,b的微小改变就能引起解x较大的改变,数值稳定性差。如果A的条件数小,b有微小的改变,x的改变也很微小,数值稳定性好。它也可以表示b不变,而A有微小改变时,x的变化情况:

比如线性方程组

的解是(x,y)=(0.0,0.1),

的解是(x,y)=(-0.17,0.22)

可见b很小的扰动就引起了x很大的变化,这就是A矩阵条件数大的表现,对condition number来个一句话总结:condition number 是一个矩阵(或者它所描述的线性系统)的稳定性或者敏感度的度量,如果一个矩阵的 condition number 在1附近,那么它就是well-conditioned的,如果远大于1,那么它就是 ill-conditioned 的,如果一个系统是 ill-conditioned 的,它的输出结果就不要太相信了。



一个极端的例子,当A奇异时,条件数为无穷,这时即使不改变b,x也可以改变。奇异的本质原因在于矩阵有0特征值,x在对应特征向量的方向上运动不改变Ax的值。如果一个特征值比其它特征值在数量级上小很多,x在对应特征向量方向上很大的移动才能产生b微小的变化,这就解释了为什么这个矩阵为什么会有大的条件数,事实上,正规阵在二范数下的条件数就可以表示成 abs(最大特征值/最小特征值)。


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