矩陣理論-1範數、2範數、無窮範數的通俗理解?

​引言

很多人學完了矩陣理論或者數值分析,腦海裡還是蒙的,有些比較基礎的東西至今還沒有一個深刻的理解,就比如矩陣理論中1範數、2範數,以及無窮範數代表什麼含義呢?


範數的理解


我們來講個故事,保證大家能夠明白,這裡主要是以向量範數為例。假設小花要選男朋友,她想在小強和小剛之間選。


第1種情況,小花的選擇標準只有一個,即身高。


那麼,小強的身高是1.7米,小剛的身高是1.8米,所以她會選小剛(這裡假如女孩子喜歡高一點的男孩子)。


第2種情況,小花的擇偶標準有兩個,即身高和月收入。


假如小強的月收入為2萬,小剛為1萬。那麼在小花的眼中,小強={1.7,2},小剛={1.8,1}。


可是,這怎麼比呢?


於是,小花想出了一個辦法,更方便度量,就是綜合收入和身高的平均值,她的辦法是畫出座標系,看最終誰的點離原點點更遠。


所以通過勾股定理,可以求得小強更遠,所以她選擇了小強。


換句話也就是說,範數可以等於點到座標零點的距離。


是不是很清新,是不是很明瞭?


所以通俗的說,範數就是為了方便度量而定義出的一個概念,主要就是面對複雜空間和多維數組時,選取出一個統一的量化標準,以方便度量和比較。請務必記住,範數是人為定義的一種度量方法。


那麼,如果一個向量裡元素更多。例如,小花的擇偶標準裡再加上性格評分,以及身體素質評分,就變成了(1.7, 2.0, 4.0, 5.8 )這樣形式的向量,維度又增加了。


所以,我們還可以定義更多的統一度量標準。


1範數、2範數、無窮範數(向量範數)


這三種不同的範數都是不同的度量方法。


(0範數,向量中非零元素的個數,這裡不解釋)


1範數:所有元素絕對值的和。


矩陣理論-1範數、2範數、無窮範數的通俗理解?


2範數:所有元素平方和的開方。


矩陣理論-1範數、2範數、無窮範數的通俗理解?


無窮範數:正無窮範數:所有元素中絕對值最小的。負無窮範數:所有元素中絕對值最大的。


║x║∞=max(│x1│,│x2│,…,│xn│)


《武林外傳》裡一段臺詞用來解釋這幾個範數或許是最生動的了。


佟湘玉有一天在同福客棧說:“額滴神吶,展堂,你說隔壁的賽貂蟬有什麼好。”


老白:“她沒沒你溫柔,沒你賢惠,沒你大氣,沒你端莊。”


佟湘玉:“那為啥你們總往她那跑呢?”老白:“因為他的相貌是滿分啊”。


看到沒有?


如果用2範數來衡量賽貂蟬和佟湘玉,那麼可以說佟湘玉並不佔下風,但是壓不住人家賽貂蟬有一個滿分啊,也就是說,從無窮範數的角度來看,賽貂蟬的穩穩超過佟湘玉的。


再看一個辯題“當今社會更需要通才還是專才”。通才是1範數2範數比較大,而專才就是無窮範數比較大。


是不是一下子就整明白了,最後,記住,範數是比較向量/矩陣是否“優秀”的一種標準而已。為了加深印象大家還可以使用MATLAB去編程計算一下。


最後我們講一下範數對於數學的意義,範數其實就是從數學本質上描述了“什麼叫空間”,它不再是我們日常生活對話裡的“空間”了。它從更深刻的角度來洞察我們這個世界,下次你一看到空間,你一給你家裝修,搞空間藝術,你是不是馬上就會想到,我們搞的是範數2空間。


我們可以想象一下會不會在那麼一個平行宇宙,那裡的人搞空間藝術,要考慮的卻是範數3的空間呢?


如果大家還有更好的理解的話,歡迎留言。


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