矩阵范数与扰动
谱半径(盖尔范德)公式
谱半径 rho(A) 是 A 的特征值绝对值中的最大者:rho(A) = max |lambda_i|。它是决定反复作用 A 会让向量爆炸还是消亡的唯一数字。若 rho(A) < 1,幂 A^k 收缩到零;若 rho(A) > 1,则某个方向无界地增长。
盖尔范德公式纯粹用范数表达这一点:rho(A) = 当 k -> infinity 时 ||A^k||^(1/k) 的极限,且对每一种矩阵范数该极限都相同。所以尽管单个 ||A^k|| 可能误导你,取 k 次方根并取极限会剥离范数的选择和瞬态行为,留下真正的长期增长率。
微妙之处在于 rho 本身不是范数——对非零矩阵它可以为零(任何幂零矩阵的特征值全为零)。永远成立的是:对每个次乘范数都有 rho(A) <= ||A||。特征值住在每个范数球内;盖尔范德说在极限下它们恰好填满它。
凡有幂出现之处此事都重要:诸如 x_{k+1} = M x_k + c 的迭代求解器的稳定性、诺伊曼级数的收敛性,以及动力系统和马尔可夫链的长期行为。实用法则很简单——盯住 rho,而不是一次性的范数。
A = [0, 9; 0, 0]: rho(A) = 0 but ||A||_2 = 9; A^2 = 0
一个幂零矩阵:范数很大,谱半径为零。它的幂在一步后消失,正如 rho 所预言。
对非正规矩阵,即便 rho(A) < 1,||A^k|| 也可能先增大一阵子再衰减。这个瞬态隆起说明 rho 是最终速率,而非逐步的保证——这也是伪谱存在的原因。
又称
另见