向量笔记

【内容主要来自《深度学习》】

基本数据类型

  • 标量(scalar) :即一个数值,是计算的最小单元。
  • 向量(vector):向量是由多个标量数据构成的一维数组,通过下标索引来获取每一个元素。
  • 矩阵(matrix):由标量数据获取的二维数组,通过行列下标获取矩阵中的元素。
  • 张量(tensor) :能够表示任意维度的数据类型。

线性相关与向量空间

给定向量组A:a_{1},a_{2},\dots,a_{n}(a_{i} \in R^{m}),对于任意一组实数k_{1},k_{2},\dots,k_{n}

向量空间:\{k_{1}a_{1}+k_{2}a_{2}+\dots+k_{n}a_{n},k_{i}\in R\}

线性相关:存在一组不全为0的实数k_{1},k_{2},\dots,k_{n}使得:

k_{1}a_{1}+k_{2}a_{2}+\dots+k_{n}a_{n}=0成立,向量组A线性相关的,反之,称向量组A线性无关。

向量组的秩:设有向量组A:a_{1},a_{2},\dots,a_{n},如果能选出r个子向量构成的子向量组A_{0}:a_{1},a_{2},\dots,a_{r},r<n,满足:

  • a_{1},a_{2},\dots,a_{r}线性无关。
  • 向量A的任意(r+1)个向量构成的字向量组都是线性相关的。

那么,称子向量组A_{0}:a_{1},a_{2},\dots,a_{r}是向量组A的一个最大线性无关向量组,最大线性无关处理组包含的向量个数r称为向量组A的秩。

向量组 矩阵--等价关系

矩阵的行秩=矩阵行向量组的秩

列秩=列向量组的秩

行秩=列秩=秩 rank(最后化简看的同一主元数目)

范数(norm)

向量范数

在泛函分析中,向量范数是衡量向量大小的一种度量方式。在形式上,向量范数是一个定义域为任意线性空间向量的函数,它把一个向量v映射为一个非负实数值R,即满足f:v\to R

从几何角度来说,向量x的范数是度量从原点O到点x的距离。从广义角度来说,对于任意一个f:v\to R,只要满足以下三个条件计科称为范数:

  • 非负性,且当时,有f(x)\geq 0,且当f(x)=0时,有x=0
  • 三角不等式性:f(x+y)\le f(x)+f(y)
  • 齐次性:\forall x \in R^{n},f(ax)=|a|\times x

在机器学习中,特别在模型优化时,范数是正则化的主要手段,用来衡量模型的复杂度。其中,最常用的是p范数,p\in R,p\ge 1

p-范数的定义如下

\lvert x \lvert_{p}=(\sum_{i}|x_{i}|^{p})^{\frac{1}{p}}

  • 0范数:向量中非零元素的个数(special)
  • 1范数:绝对值范数,大小等于向量的每个元素的绝对值之和。(范数单位圆--菱形)
  • 2范数: 也被称为欧几里得范数,它的大小表示从原点到当前点的欧几里得距离。(范数单位圆--圆)
单位范数圆.jpg
  • \infty范数:也被称为最大范数,是向量中每个元素绝对值的最大值。

\lvert x \lvert_{p}=max_{i}(|x_{i}|)

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