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1.6 (d) 解說 - 協方差矩陣的特徵分解

基於 問題 1.6 (d) 的推導,這是一個關於我們如何從特徵值得到完整矩陣分解 Σ=VΛVT\Sigma = V \Lambda V^T 的詳細細分說明。

1. 從向量到矩陣​

最常見的困惑部分是從單個向量方程式移動到完整的矩陣方程式。

我們從特徵向量 viv_i 和特徵值 λi\lambda_i 的定義開始: Σvi=λivi\Sigma v_i = \lambda_i v_i

如果我們有 dd 個特徵向量 (v1,...,vdv_1, ..., v_d),我們可以使用矩陣乘法將它們並排寫出。

左側 (ΣV\Sigma V): 當你將一個矩陣 Σ\Sigma 乘以一個矩陣 VV(其中 VV 由列向量 v1,...,vdv_1, ..., v_d 組成),結果僅僅是 Σ\Sigma 分別與每一列相乘:

ΣV=Σ[∣∣v1…vd∣∣]=[∣∣Σv1…Σvd∣∣]\Sigma V = \Sigma \begin{bmatrix} | & & | \\ v_1 & \dots & v_d \\ | & & | \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} | & & | \\ \Sigma v_1 & \dots & \Sigma v_d \\ | & & | \end{bmatrix}

因為 Σvi=λivi\Sigma v_i = \lambda_i v_i,我們可以替換這些列:

=[∣∣λ1v1…λdvd∣∣]= \begin{bmatrix} | & & | \\ \lambda_1 v_1 & \dots & \lambda_d v_d \\ | & & | \end{bmatrix}

右側 (VΛV \Lambda): 現在看看 VΛV \Lambda。如果你將一個矩陣 VV 在右側乘以一個 對角 矩陣 Λ\Lambda,它會按相應的對角元素縮放 VV 的每一 列:

[∣∣v1…vd∣∣][λ10⋱0λd]=[∣∣λ1v1…λdvd∣∣]\begin{bmatrix} | & & | \\ v_1 & \dots & v_d \\ | & & | \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \lambda_1 & & 0 \\ & \ddots & \\ 0 & & \lambda_d \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} | & & | \\ \lambda_1 v_1 & \dots & \lambda_d v_d \\ | & & | \end{bmatrix}

結論: 由於這些列完全匹配,我們證明了: ΣV=VΛ\Sigma V = V \Lambda

2. 為什麼 VV 是正交的 (VT=V−1V^T = V^{-1})​

問題指出 Σ\Sigma 是一個 協方差矩陣。

  • 協方差矩陣總是 對稱的 (Σ=ΣT\Sigma = \Sigma^T)。
  • 線性代數中的一個關鍵定理(譜定理)指出 對稱矩陣總是有正交的特徵向量。

這意味著任何兩個不同特徵向量的點積為 0,並且我們將它們歸一化使得它們的長度為 1: viTvj=0 (若 i≠j),viTvi=1v_i^T v_j = 0 \text{ (若 } i \neq j), \quad v_i^T v_i = 1

在矩陣形式中,計算 VTVV^T V:

VTV=[−v1T−⋮−vdT−][∣∣v1…vd∣∣]=[10…01…⋮⋮⋱]=IV^T V = \begin{bmatrix} - v_1^T - \\ \vdots \\ - v_d^T - \end{bmatrix} \begin{bmatrix} | & & | \\ v_1 & \dots & v_d \\ | & & | \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & \dots \\ 0 & 1 & \dots \\ \vdots & \vdots & \ddots \end{bmatrix} = I

因為 VTV=IV^T V = I,根據定義 VTV^T 是 VV 的逆矩陣。

3. 求解 Σ\Sigma​

現在我們只需重新排列代數式:

  1. 從這裡開始:ΣV=VΛ\Sigma V = V \Lambda
  2. 兩邊同時右乘 VTV^T: ΣVVT=VΛVT\Sigma V V^T = V \Lambda V^T
  3. 因為 VVT=IV V^T = I,左邊的 VV 被消去: Σ=VΛVT\Sigma = V \Lambda V^T

幾何解釋​

這個方程式告訴我們,任何協方差矩陣都可以被認為是:

  1. 旋轉 空間以與數據的軸對齊 (VTV^T)。
  2. 根據方差沿這些軸 拉伸 (Λ\Lambda)。
  3. 旋轉回 原始方向 (VV)。