我正在编写一些涉及查找给定矩阵的特征向量的代码,令我惊讶的是 Ruby 在简单情况下会产生一些不合理的结果。
例如,以下矩阵具有与特征值 1 关联的特征向量:
> m = Matrix[[0r, 1/2r, 1/2r, 1/3r],
[0r, 0r, 1/4r, 1/3r],
[0r, 1/4r, 0r, 1/3r],
[1r, 1/4r, 1/4r, 0r]]
Ruby 很好地找到了特征值,但是特征向量爆炸了:
> m.eigen.eigenvalues[2]
=> 1.0000000000000009
m.eigen.eigenvectors[2]
=> Vector[5.957702309312754e+15, 5.957702309312748e+15, 5.957702309312743e+15, 5.957702309312753e+15]
实际的特征向量应该是(7, 4, 4, 9)。
这不是很麻烦吗?如果 Ruby 不能处理微小的矩阵,那我们怎么能相信它呢?还是我做错了什么?
最佳答案
不,这并不麻烦。该矩阵可能不适用于特定的特征向量算法实现。 Efficient and stable general eigenvector computation is nontrivial ,毕竟。
Matrix
库改编自 JAMA, a Java matrix package ,它说它做了一个 numerical computation而不是 symbolic computation :
Not Covered. JAMA is by no means a complete linear algebra environment ... it focuses on the principle mathematical functionality required to do numerical linear algebra
QR 算法:数值计算
查看 Matrix::EigenvalueDecomposition
的源代码,我发现它命名了 QR algorithm 的用法.我不完全理解数学的复杂性,但我想我可能理解为什么这个计算失败了。计算机制如下所述:
At the k-th step (starting with k = 0), we compute the QR decomposition Ak=QkRk ... Under certain conditions,[4] the matrices Ak converge to a triangular matrix, the Schur form of A. The eigenvalues of a triangular matrix are listed on the diagonal, and the eigenvalue problem is solved.
在“伪”Ruby 中,这在概念上意味着:
working_matrix = orig_matrix.dup
all_q_matrices = []
loop do
q, r = working_matrix.qr_decomposition
all_q_matrices << q
next_matrix = r * q
break if difference_between(working_matrix, next_matrix) < accuracy_threshold
end
eigenvalues = working_matrix.diagonal_values
对于特征向量,它继续:
upon convergence, AQ = QΛ, where Λ is the diagonal matrix of eigenvalues to which A converged, and where Q is a composite of all the orthogonal similarity transforms required to get there. Thus the columns of Q are the eigenvectors.
在“伪”Ruby 中,继续:
eigenvectors = all_q_matrices.inject(:*).columns
数值计算中的浮点错误
我们可以看到,进行了一次数值计算迭代来计算近似特征值,作为副作用,收集了一堆近似 Q
矩阵。然后,将这些近似的 Q
矩阵组合在一起形成特征向量。
近似值的复合可能是造成极其不准确结果的原因。 Math StackExchange 上的灾难性取消示例显示了 simple quadratic computation with 400% relative error .您或许能够想象具有重复算术运算的迭代矩阵算法如何做得更糟。
一粒盐
同样,我对算法的数学原理和实现都没有深入的了解,所以我确切地不知道计算的哪些部分导致了您特定的 85110032990182200% 错误,但是我希望您现在可以了解它是如何发生的。
关于ruby - Ruby 矩阵计算中的浮点错误,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/47781915/