特異値分解 の入口
Introduction to singular value decomposition
1導入 どうにゅう
この
SVD は、
1Introduction
The key point of this lecture is that
SVD separates the input-side orthonormal
2用語 ようご と定義 ていぎ
と
の
を の
と
2Terms and definitions
For a real matrix , a
where is an orthogonal matrix, is an orthogonal matrix, and is an matrix with nonnegative diagonal entries.
The diagonal entries
are the
For complex matrices,
with unitary and .
3方針 ほうしん
なぜ を
となるからである。したがって は
である。この
3Plan
Study in the real case and in the complex case. These matrices are symmetric or Hermitian and positive semidefinite. Therefore they can be orthogonally or unitarily diagonalized.
The reason for looking at is that, for every ,
Thus is Hermitian and positive semidefinite, so its
and in the complex case
The
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
に
4Intuitive explanation
SVD decomposes the action of as
Orthogonal or unitary factors preserve lengths and angles. The matrix is the only part that changes lengths. Thus
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. または から右特異 みぎとくい ベクトルを得 え る
である。この が
と
5.22. 左特異 ひだりとくい ベクトルを構成 こうせい する
のとき
と
であり、
である。つまり、 または は
5.33. 階数 かいすう rank との関係 かんけい
5.44. コンパクト SVD と基本部分空間 きほんぶぶんくうかん
の
と
この
5.55. 低階数近似 ていかいすうきんじ への接続 せつぞく
を
である。この
5Precise explanation
5.11. Right singular vectors from or
In the real case, is symmetric. Choose an orthonormal eigenbasis :
These are the right singular vectors. In the complex case,
5.22. Constructing left singular vectors
For , define
Then the are orthonormal:
Using and the orthonormality of the , this equals . Extend these to an orthonormal
The left singular vectors are also
and of in the complex case.
5.33. rank 階数 かいすう
The
Small
5.44. Compact SVD and fundamental subspaces
If , keeping only positive
in the real case, and in the complex case.
The columns of form an orthonormal
| Space | SVD description |
|---|---|
| spanned by left singular vectors for | |
| spanned by right singular vectors for | |
| spanned by right singular vectors for | |
| or | spanned by left singular vectors for |
5.55. Low-rank 階数 かいすう approximation
Keeping only the largest
in the real case, and in the complex case. By the Eckart-Young theorem, is the closest matrix to among matrices of
This supports compression and denoising, but discarding small
6具体例 ぐたいていれい
では、すでに
とでき、
を
であり、その
である。したがって
となる。
6Concrete examples
For
we may take
The
For a general matrix, first rotates the input space into principal directions, stretches those directions, and places the result in the output space.
For a non-diagonal example,
Then
whose
Therefore the
Although has only the
7別 べつ の観点 かんてん
8判定基準 はんていきじゅん
特異値 とくいち singular value は の固有値 こゆうち eigenvalue の平方根 へいほうこん である。非零特異値 ひぜろとくいち の個数 こすう は階数 かいすう rank である。特異値分解 とくいちぶんかい singular value decompositionSVD は長方行列 ちょうほうぎょうれつ にも適用 てきよう できる。小 ちい さい特異値 とくいち singular value は情報 じょうほう の圧縮 あっしゅく や数値的不安定性 すうちてきふあんていせい と関係 かんけい する。- コンパクト SVD は、
列空間 れつくうかん column space ・行空間 ぎょうくうかん row space ・核 かく kernel を同時 どうじ に記述 きじゅつ する。
9どこまで成立 せいりつ するか
10存在定理 そんざいていり と証明 しょうめい の骨格 こっかく
と
である。
なので
と
より は
7Another viewpoint
8Criteria
Singular values are the square roots of the特異値 とくいち eigenvalues of or .固有値 こゆうち - The number of nonzero singular values is the
rank .階数 かいすう - SVD applies to rectangular matrices as well as square matrices.
- Small
singular values are related to compression and numerical instability.特異値 とくいち - Compact SVD simultaneously describes the
column space ,列空間 れつくうかん row space , and行空間 ぎょうくうかん kernel .核 かく
9Scope
SVD holds for every real or complex matrix. Unlike eigendecomposition, it does not require the matrix to be square or diagonalizable.
10Existence theorem and proof outline
For every real matrix , there exist
For a complex matrix,
The proof is based on the spectral theorem for or . The matrix is
so it is positive semidefinite. Hence it has an orthonormal eigenbasis with nonnegative
Then
so the are mutually
11基本部分空間 きほんぶぶんくうかん の対応 たいおう
SVD は、4 つの
| SVD での | |
|---|---|
| に | |
| または | に |
このため SVD は、
11Correspondence of fundamental subspaces
SVD organizes the four
| Description by SVD | |
|---|---|
| spanned by the left | |
| spanned by the right | |
| spanned by the corresponding to | |
| or | spanned by the corresponding to |
Therefore SVD describes not only the
12別 べつ の見方 みかた
SVD は、
12Another viewpoint
SVD is the foundation of the
13計算例 けいさんれい :非対角 ひたいかく な 行列 ぎょうれつ
を
であり、
である。したがって
である。ここで
13Calculation example: a non-diagonal matrix
Consider
Then
and the
Therefore the
Here the
14判定基準 はんていきじゅん
特異値 とくいち singular value は または の固有値 こゆうち eigenvalue の平方根 へいほうこん である。正 せい の特異値 とくいち singular value の個数 こすう が階数 かいすう rank である。- SVD は
長方行列 ちょうほうぎょうれつ にも適用 てきよう できる。 小 ちい さい特異値 とくいち singular value は、圧縮 あっしゅく や数値的 すうちてき な不安定性 ふあんていせい を示 しめ すことがある。- コンパクト SVD は、
列空間 れつくうかん column space 、行空間 ぎょうくうかん row space 、核 かく を同時 どうじ に記述 きじゅつ する。
14Criteria
singular values are square roots of特異値 とくいち eigenvalues of or .固有値 こゆうち - The number of nonzero
singular values is the特異値 とくいち rank .階数 かいすう - SVD applies to rectangular matrices.
- Small
singular values indicate compression and possible numerical instability.特異値 とくいち - Compact SVD describes
column space ,列空間 れつくうかん row space , and kernels simultaneously.行空間 ぎょうくうかん
15低階数近似 ていかいすうきんじ の意味 いみ と注意 ちゅうい
Eckart-Young の
が、
15Meaning and cautions of low-rank approximation
The Eckart-Young
obtained by keeping only the top
16適用範囲 てきようはんい と限界 げんかい
SVD は、
16Scope and limitations
SVD exists for every real or complex matrix. Unlike
17最終形 さいしゅうけい
17Final forms
18一言 ひとこと でいうと
特異値分解 とくいちぶんかい singular value decompositionSVD は、任意 にんい の行列 ぎょうれつ matrix を直交変換 ちょっこうへんかん と軸方向 じくほうこう の伸縮 しんしゅく へ分解 ぶんかい する標準形 ひょうじゅんけい である。