1.使用QR分解获取特征值和特征向量

将矩阵A进行QR分解,得到正规正交矩阵Q与上三角形矩阵R。由上可知Ak为相似矩阵,当k增加时,Ak收敛到上三角矩阵,特征值为对角项。

2.奇异值分解(SVD)

其中U是m×m阶酉矩阵;Σ是半正定m×n阶对角矩阵;而V*,即V的共轭转置,是n×n阶酉矩阵。

将矩阵A乘它的转置,得到的方阵可用于求特征向量v,进而求出奇异值σ和左奇异向量u。

  1. #coding:utf8
  2. import numpy as np
  3. np.set_printoptions(precision=4, suppress=True)
  4.  
  5. def householder_reflection(A):
  6. """Householder变换"""
  7. (r, c) = np.shape(A)
  8. Q = np.identity(r)
  9. R = np.copy(A)
  10. for cnt in range(r - 1):
  11. x = R[cnt:, cnt]
  12. e = np.zeros_like(x)
  13. e[0] = np.linalg.norm(x)
  14. u = x - e
  15. v = u / np.linalg.norm(u)
  16. Q_cnt = np.identity(r)
  17. Q_cnt[cnt:, cnt:] -= 2.0 * np.outer(v, v)
  18. R = np.dot(Q_cnt, R) # R=H(n-1)*...*H(2)*H(1)*A
  19. Q = np.dot(Q, Q_cnt) # Q=H(n-1)*...*H(2)*H(1) H为自逆矩阵
  20. return (Q, R)
  21.  
  22. def eig(A, epsilon=1e-10):
  23. '''采用QR分解法计算特征值和特征向量 '''
  24. (q,r_)=householder_reflection(A)
  25. h = np.identity(A.shape[0])
  26. for i in range(50):
  27. B=np.dot(r_,q)
  28. h=h.dot(q)
  29. (q,r)=gram_schmidt(B)
  30. if abs(r.trace()-r_.trace())< epsilon:
  31. print("Converged in {} iterations!".format(i))
  32. break
  33. r_=r
  34. return r,h
  35.  
  36. def svd(A):
  37. '''奇异值分解'''
  38. n, m = A.shape
  39. svd_ = []
  40. k = min(n, m)
  41. v_=eig(np.dot(A.T, A))[1] #np.linalg.eig(np.dot(A.T, A))[1]
  42. for i in range(k):
  43. v=v_.T[i]
  44. u_ = np.dot(A, v)
  45. s = np.linalg.norm(u_)
  46. u = u_ / s
  47. svd_.append((s, u, v))
  48. ss, us, vs = [np.array(x) for x in zip(*svd_)]
  49. return us.T,ss, vs
  50.  
  51. if __name__ == "__main__":
  52.  
  53. mat = np.array([
  54. [2, 5, 3],
  55. [1, 2, 1],
  56. [4, 1, 1],
  57. [3, 5, 2],
  58. [5, 3, 1],
  59. [4, 5, 5],
  60. [2, 4, 2],
  61. [2, 2, 5],
  62. ], dtype='float64')
  63. u,s,v = svd(mat)
  64. print u
  65. print s
  66. print v
  67. print np.dot(np.dot(u,np.diag(s)),v)

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