奇异值和奇异值分解

理论：

假设M是一个m×n阶矩阵，其中的元素全部属于域 K，也就是 实数域或复数域。如此则存在一个分解使得

M = UΣV*，

其中U是m×m阶酉矩阵；Σ是半正定m×n阶对角矩阵；而V*，即V的共轭转置，是n×n阶酉矩阵。这样的分解就称作M的奇异值分解。Σ对角线上的元素Σi,i即为M的奇异值。

直观的解释

在矩阵M的奇异值分解中 M = UΣV*

·U的列(columns)组成一套对M的正交"输入"或"分析"的基向量。这些向量是M*M的特征向量。

·V的列(columns)组成一套对M的正交"输出"的基向量。这些向量是M*M的特征向量。

·Σ对角线上的元素是奇异值，可视为是在输入与输出间进行的标量的"膨胀控制"。这些是M*M及MM*的奇异值，并与U和V的行向量相对应。

奇异值和奇异向量, 以及他们与奇异值分解的关系

一个非负实数σ是M的一个奇异值仅当存在Km 的单位向量u和Kn的单位向量v如下 ：

其中向量u 和v分别为σ的左奇异向量和右奇异向量。

对于任意的奇异值分解，矩阵Σ的对角线上的元素等于M的奇异值. U和V的列分别是奇异值中的左、右奇异向量。因此,上述定理表明:

一个m × n的矩阵至少有一个最多有 p = min(m,n)个不同的奇异值。

总是可以找到在Km 的一个正交基U，组成M的左奇异向量。

总是可以找到和Kn的一个正交基V，组成M的右奇异向量。

如果一个奇异值中可以找到两个左（或右）奇异向量是线性相关的，则称为退化。

非退化的奇异值具有唯一的左、右奇异向量，取决于所乘的单位相位因子eiφ（根据实际信号）。因此，如果M的所有奇异值都是非退化且非零，则它的奇异值分解是唯一的，因为U中的一列要乘以一个单位相位因子且同时V中相应的列也要乘以同一个相位因子。

根据定义，退化的奇异值具有不唯一的奇异向量。因为，如果u1和u2为奇异值σ的两个左奇异向量，则两个向量的任意规范线性组合也是奇异值σ一个左奇异向量，类似的，右奇异向量也具有相同的性质。因此，如果M 具有退化的奇异值，则它的奇异值分解是不唯一的。

 

奇异值分解在统计中的主要应用为主成分分析（PCA），它是一种数据分析方法，用来找出大量数据中所隐含的“模式”,它可以用在模式识别，数据压缩等方面。PCA算法的作用是把数据集映射到低维空间中去。 数据集的特征值（在SVD中用奇异值表征）按照重要性排列，降维的过程就是舍弃不重要的特征向量的过程，而剩下的特征向量张成空间为降维后的空间。

计算 SVD：

matlab： [b c d]=svd(A) OpenCV: void cvSVD( CvArr* A, CvArr* W, CvArr* U=NULL, CvArr* V=NULL, int flags=0 )