2020-10-05 矩阵A+B之最小特征值 ≥ 正定矩阵A的最小特征值+正定矩阵B的最小特征值

    科技2022-08-13  132

    定理: A , B , C A, B, C A,B,C: 均正定 C = A + B C=A+B C=A+B λ min ⁡ ( C ) ⩾ λ min ⁡ ( A ) + λ min ⁡ ( B ) \lambda_{\min}(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B) λmin​(C)⩾λmin​(A)+λmin​(B) λ max ⁡ ( C ) ⩽ λ max ⁡ ( A ) + λ max ⁡ ( B ) \lambda_{\max}(C) \leqslant \lambda_{\max}(A)+\lambda_{\max}(B) λmax​(C)⩽λmax​(A)+λmax​(B)

    证明: x T A x ⩾ λ min ⁡ ( A ) x T x x^TAx \geqslant \lambda_{\min}(A)x^Tx xTAx⩾λmin​(A)xTx. Thus, x T ( A − λ min ⁡ ( A ) E ) x ⩾ 0 x^T(A-\lambda_{\min}(A)E)x \geqslant 0 xT(A−λmin​(A)E)x⩾0, that is, A − λ min ⁡ ( A ) E A-\lambda_{\min}(A)E A−λmin​(A)E is non-negative definite.

    因此,有 A − λ min ⁡ ( A ) E ⩾ 0 A-\lambda_{\min}(A)E \geqslant 0 A−λmin​(A)E⩾0 B − λ min ⁡ ( B ) E ⩾ 0 B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0 B−λmin​(B)E⩾0 A − λ min ⁡ ( A ) E + B − λ min ⁡ ( B ) E ⩾ 0 A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0 A−λmin​(A)E+B−λmin​(B)E⩾0

    显然, C x = λ ( C ) x Cx=\lambda(C)x Cx=λ(C)x,所有 ( A − λ min ⁡ ( A ) E + B − λ min ⁡ ( B ) E ) x = ( λ ( C ) − λ min ⁡ ( A ) − λ min ⁡ ( B ) ) x (A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E)x=\left(\lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B)\right)x (A−λmin​(A)E+B−λmin​(B)E)x=(λ(C)−λmin​(A)−λmin​(B))x 也就是说, λ ( C ) − λ min ⁡ ( A ) − λ min ⁡ ( B ) \lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B) λ(C)−λmin​(A)−λmin​(B)是 A − λ min ⁡ ( A ) E + B − λ min ⁡ ( B ) E A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E A−λmin​(A)E+B−λmin​(B)E的特征值

    因为 A − λ min ⁡ ( A ) E + B − λ min ⁡ ( B ) E ⩾ 0 A-\lambda_{\min}(A)E+B-\lambda_{\min}(B)E \geqslant 0 A−λmin​(A)E+B−λmin​(B)E⩾0,是非负定阵,因此 λ ( C ) − λ min ⁡ ( A ) − λ min ⁡ ( B ) ⩾ 0 \lambda(C)-\lambda_{\min}(A)-\lambda_{\min}(B) \geqslant 0 λ(C)−λmin​(A)−λmin​(B)⩾0

    所以 λ ( C ) ⩾ λ min ⁡ ( A ) + λ min ⁡ ( B ) \lambda(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B) λ(C)⩾λmin​(A)+λmin​(B) λ min ⁡ ( C ) ⩾ λ min ⁡ ( A ) + λ min ⁡ ( B ) \lambda_{\min}(C) \geqslant \lambda_{\min}(A)+\lambda_{\min}(B) λmin​(C)⩾λmin​(A)+λmin​(B)

    同理 λ max ⁡ ( C ) ⩽ λ max ⁡ ( A ) + λ max ⁡ ( B ) \lambda_{\max}(C) \leqslant \lambda_{\max}(A)+\lambda_{\max}(B) λmax​(C)⩽λmax​(A)+λmax​(B)

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