错位的梦寐

0 范数、1 范数、2 范数有什么区别?

2019-12-19


以下分别列举常用的向量范数和矩阵范数的定义。

简单说:0范数表示向量中非零元素的个数(即为其稀疏度)。1范数表示为,绝对值之和。而2范数则指模。

范数对于数学的意义?

总的来说,范数的本质是距离,存在的意义是为了实现比较。比如,在一维实数集合中,我们随便取两个点4和9,我们知道9比4大,但是到了二维实数空间中,取两个点(1,1)和(0,3),这个时候我们就没办法比较它们之间的大小,因为它们不是可以比较的实数,于是我们引入范数这个概念,把我们的(1,1)和(0,3)通过范数分别映射到实数[公式] 和 3 ,这样我们就比较这两个点了。所以你可以看到,范数它其实是一个函数,它把不能比较的向量转换成可以比较的实数。 在上面的例子里,我们用的范数是平方求和然后再开方,范数还有很多其他的类型,这个就要看具体的定义了,理论上我们也可以把范数定义为只比较x轴上数字的绝对值。

PS:这里说的是向量范数。)

向量范数

  • 1-范数:即向量元素绝对值之和, \(\|x\|_{1}=\sum_{i=1}^{N}\left|x_{i}\right|\)

  • 2-范数:Euclid范数(欧几里得范数,常用计算向量长度),即向量元素绝对值的平方和再开方。

    \[\|\mathbf{x}\|_{2}=\sqrt{\sum_{i=1}^{N} x_{i}^{2}}\]
  • $\infty$-范数 : 即所有向量元素绝对值中的最大值

    \[\|\mathbf{x}\|_{\infty}=\max _{i}\left|x_{i}\right|\]
  • $-\infty$-范数 : 即所有向量元素绝对值中的最小值 。

    \[\|\mathbf{x}\|_{-\infty}=\min _{i}\left|x_{i}\right|\]
  • p-范数:即向量元素绝对值的p次方和的1/p次幂

    \[\|\mathbf{x}\|_{p}=\left(\sum_{i=1}^{N}\left|x_{i}\right|^{p}\right)^{\frac{1}{p}}\]

矩阵范数

  • 1-范数: 列和范数,即所有矩阵列向量绝对值之和的最大值 。 \(\|A\|_{1}=\max _{j} \sum_{i=1}^{m}\left|a_{i, j}\right|\)

  • 2-范数:谱范数,即 $A^TA$ 矩阵的最大特征值的开平方。

    \(\|A\|_{2}=\sqrt{\lambda_{1}}\) $\lambda$ 为 $A^{T} A$ 的最大特征值。

  • $\infty$ - 范数 : 行和范数,即所有矩阵行向量绝对值之和的最大值 。 \(\|A\|_{\infty}=\max _{i} \sum_{j=1}^{N}\left|a_{i, j}\right|\)
  • F-范数:Frobenius范数,即矩阵元素绝对值的平方和再开平方 。
\[\|A\|_{F}=\left(\sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{n}\left|a_{i, j}\right|^{2}\right)^{\frac{1}{2}}\]
  • 核范数:$ \lambda_{i}$ 是A的奇异值 。即奇异值之和。
\[\|A\|_{*}=\sum_{i=1}^{n} \lambda_{i}\]

$L_p$ 范数是常用的正则化项,其中 $L_2$ 范数$||w||_2$倾向于w 的分量取值尽量均衡,即非零分量个数尽量稠密,而 $L_0$ 范数与 $L_1$ 范数则是倾向于w的分量尽量稀疏,即非零分量个数尽量少 。

参考:

  1. 0 范数、1 范数、2 范数有什么区别?
  2. 范数对于数学的意义?1范数、2范数、无穷范数该怎么用?
  3. L0,L1,L2范数及其应用

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