主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)

  • 主成分分析是一种重要的数据信息提取方法。具体而言,对于Rd\R^d上的数据,我们希望能从中提取出pp维的信息(其中pdp\ll d
    • 在机器学习中,主成分分析可以让成千上万维的数据降到一个合适的范围(甚至可以可视化),以研究其数据结构。
  • 下面进行符号约定:
    1. 记数据为 X[x1x2xn]Rn×dX\triangleq\begin{bmatrix} \vec{x_1}^\top\\ \vec{x_2}^\top\\ \vdots\\ \vec{x_n}^\top \end{bmatrix}\in\R^{n\times d}X=[x1x2xn]Rd×n.X^\top=\begin{bmatrix}\vec{x_1}&\vec{x_2}&\cdots&\vec{x_n}\end{bmatrix}\in\R^{d\times n}.
    2. 定义协方差矩阵 C1nXX=1ni=1nxixiRd×dC\triangleq\frac{1}{n}X^\top X=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\vec{x_i}\vec{x_i}^\top\in\R^{d\times d}CC为对称矩阵,即CSdC\in\mathbb{S}^d
  • 实际上,我们需要在Rd\R^d空间中找到pp个标准正交向量w1,,wp\vec{w}_1,\cdots,\vec{w}_p,使得数据点在这些向量上的投影能够充分反应其原有的信息。
    • 如果直接取原始坐标系中的pp个坐标轴向量,那么往往会导致很多数据点投影后接近于0\vec{0},因而损失大量信息。所以我们需要寻找更合适的标准正交向量组。

寻找标准正交向量组

  • 首先我们来寻找第一个向量w1\vec{w}_1。根据主成分分析的原则,我们希望每个向量xi\vec{x}_iw1\vec{w}_1上的投影都尽量接近xi\vec{x}_i本身,同时w1=1\|\vec{w}_1\|=1。于是,我们考虑以下误差函数 err(x1)=1ni=1nxiw1(w1xi)22.\text{err}(\vec{x}_1)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n\|\vec{x}_i-\vec{w}_1(\vec{w}_1^\top x_i)\|_2^2. 即所有数据点到w1\vec{w}_1的垂直距离取平均。将其展开得 err(x1)=1ni=1n(xiw1(w1xi))(xiw1(w1xi))=1ni=1n(xixixiw1(w1xi)(w1(w1xi))xi+(w1(w1xi))(w1(w1xi)))=1ni=1n(xi222(xiw1)2+(w1xi)2)=1ni=1n(xi22(xiw1)2).\begin{aligned} \text{err}(\vec{x}_1)&=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(\vec{x}_i-\vec{w}_1(\vec{w}_1^\top x_i))^\top(\vec{x}_i-\vec{w}_1(\vec{w}_1^\top x_i))\\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \vec{x}_i^\top \vec{x}_i - \vec{x}_i^\top \vec{w}_1 (\vec{w}_1^\top \vec{x}_i) - (\vec{w}_1 (\vec{w}_1^\top \vec{x}_i))^\top \vec{x}_i + (\vec{w}_1 (\vec{w}_1^\top \vec{x}_i))^\top (\vec{w}_1 (\vec{w}_1^\top \vec{x}_i)) \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \|\vec{x}_i\|_2^2 - 2(\vec{x}_i^\top \vec{w}_1)^2 + (\vec{w}_1^\top \vec{x}_i)^2 \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \|\vec{x}_i\|_2^2 - (\vec{x}_i^\top \vec{w}_1)^2 \right). \end{aligned} 接着我们对这个函数进行最小优化: minw1Rdw12=1err(w1)=minw1Rdw12=11ni=1n(xi22(xiw1)2)=1ni=1nxi22maxw1Rdw12=11ni=1n(xiw1)2=1ni=1nxi22maxw1Rdw12=1w1(1ni=1nxixi)w1=1ni=1nxi22maxw1Rdw12=1w1(1nXX)w1=1ni=1nxi22maxw1Rdw12=1w1Cw1=1ni=1nxi22λmax{C}\begin{aligned} \min_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \mathrm{err}(\vec w_1) &= \min_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \frac1n\sum_{i=1}^n\big(\|\vec x_i\|_2^2 - (\vec x_i^\top \vec w_1)^2\big) \\ &= \frac1n\sum_{i=1}^n \|\vec x_i\|_2^2 - \max_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \frac1n\sum_{i=1}^n (\vec x_i^\top \vec w_1)^2 \\ &= \frac1n\sum_{i=1}^n \|\vec x_i\|_2^2 - \max_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \vec w_1^\top \left( \frac1n\sum_{i=1}^n \vec x_i \vec x_i^\top \right)\vec w_1 \\ &= \frac1n\sum_{i=1}^n \|\vec x_i\|_2^2 - \max_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \vec w_1^\top \left( \frac1n X^\top X \right)\vec w_1 \\ &= \frac1n\sum_{i=1}^n \|\vec x_i\|_2^2 - \max_{\substack{\vec w_1\in\mathbb R^d\\ \|\vec w_1\|_2=1}} \vec w_1^\top C \vec w_1 \\ &= \frac1n\sum_{i=1}^n \|\vec x_i\|_2^2 - \lambda_{\max}\{C\} \end{aligned} 其中λmax{C}\lambda_{\max}\{C\}表示协方差矩阵CC的最大特征值。由此可知当函数取最小值时,w1\vec{w}_1CC最大特征值对应的特征向量。
  • 类似地,我们也可以得到第二个,第三个,以及所有的特征向量。根据谱定理(见Chapter 3),协方差矩阵CC的各特征值对应的特征向量相互正交,因而只需要根据特征值从大到小排序,再进行归一化即可。

    注:在实际使用中,协方差矩阵一般使用1n1XX\dfrac{1}{n-1}X^\top X,以保证无偏性。

奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)

  • 上面的主成分分析实际上是奇异值分解的特殊情形。一般的奇异值分解形式如下:设ARm×nA\in\R^{m\times n}的秩为rr,则AA的SVD分解为 A=Um×mΣm×nVn×n=[UrUmr][Σr0r×(nr)0(mr)×r0(mr)×(nr)][VrVnr]=UrΣrVr=i=1rσiuivi\begin{aligned} A&=U_{m\times m}\Sigma_{m\times n} V_{n\times n}\\ &=\begin{bmatrix} U_r & U_{m-r} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \Sigma_r & 0_{r \times (n-r)} \\ 0_{(m-r) \times r} & 0_{(m-r) \times (n-r)} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} V_r^\top \\ V_{n-r}^\top \end{bmatrix}\\ &= U_r \Sigma_r V_r^\top\\ &= \sum_{i=1}^r \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top \end{aligned} 其中:
    • U,Ur,Umr,V,Vr,VnrU,U_r,U_{m-r},V,V_r,V_{n-r}均为标准正交矩阵,称UU的列向量和VV的行向量为奇异向量;
    • Σr\Sigma_r为对角矩阵,对角线元素(称为奇异值)非负,且从左上到右下依次递减。
    • 上面的最后一个等式是SVD的二元形式(uivi\vec{u}_i \vec{v}_i^\top被称为二元组),即矩阵AA可表示为若干个二元组的和。
  • 接下来我们讨论如何构造矩阵AA的SVD分解。考虑对称矩阵AARn×nA^\top A\in\R^{n\times n},其秩为rr,因而有rr个正特征值(因为AAA^\top A是半正定矩阵)。
    • AAA^\top A的所有特征值为λ1λr>λr+1==λn=0\lambda_1\geq\cdots\geq\lambda_r>\lambda_{r+1}=\cdots=\lambda_n=0,对应的特征向量为v1,,vn\vec{v}_1,\cdots,\vec{v}_n
    • 然后定义σi=λi,ui=1σiAvi\sigma_i=\sqrt{\lambda_i},\vec{u}_i=\dfrac{1}{\sigma_i}A\vec{v}_ii=1,,ri=1,\cdots,r),最后使用施密特正交化构造u1,,um\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_m
    • 那么上述{ui},{vi}\{\vec{u}_i\},\{\vec{v}_i\}{σi}\{\sigma_i\}即对应SVD分解中的U,VU,VΣ\Sigma
  • 下面进行简单解释:显然v1,,vn\vec{v}_1,\cdots,\vec{v}_n为标准正交基,组成的矩阵为标准正交矩阵;而奇异值矩阵Σ\Sigma的构造也满足题设。所以下面主要证明u1,,um\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_m为标准正交基,且A=UΣVA=U\Sigma V^\top
    • 因为{u1,,um}\{\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_m\}是在{u1,,ur}\{\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_r\}的基础上正交扩展的,如只需要证明{u1,,ur}\{\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_r\}两两标准正交即可。推导如下: uiuj=(Aviσi)(Avjσj)=viAAvjσiσj=λjvivjσiσj=λjσiσjvivj=0=0,\begin{aligned} \vec{u}_i^\top \vec{u}_j &= \left( \frac{A \vec{v}_i}{\sigma_i} \right)^\top \left( \frac{A \vec{v}_j}{\sigma_j} \right) \\ &= \frac{\vec{v}_i^\top A^\top A \vec{v}_j}{\sigma_i \sigma_j} \\ &= \frac{\lambda_j \vec{v}_i^\top \vec{v}_j}{\sigma_i \sigma_j} \\ &= \frac{\lambda_j}{\sigma_i \sigma_j}\underbrace{ \vec{v}_i^\top \vec{v}_j}_{=0} \\ &= 0, \end{aligned} ui22=Aviσi22=(Aviσi)(Aviσi)=viAAviσi2=λiviviσi2=λiσi2=1vivi=1=1.\begin{aligned} \|\vec{u}_i\|_2^2 &= \left\| \frac{A \vec{v}_i}{\sigma_i} \right\|_2^2 \\ &= \left( \frac{A \vec{v}_i}{\sigma_i} \right)^\top \left( \frac{A \vec{v}_i}{\sigma_i} \right) \\ &= \frac{\vec{v}_i^\top A^\top A \vec{v}_i}{\sigma_i^2} \\ &= \frac{\lambda_i \vec{v}_i^\top \vec{v}_i}{\sigma_i^2} \\ &= \underbrace{\frac{\lambda_i}{\sigma_i^2}}_{=1}\cdot\underbrace{\vec{v}_i^\top \vec{v}_i}_{=1} \\ &= 1. \end{aligned}
    • 然后证明A=UΣVA=U\Sigma V^\top:由构造可知 Avi={σiui,1ir0,r+1imA\vec{v}_i=\begin{cases} \sigma_i\vec{u}_i,&1\leq i\leq r\\ \vec{0},&r+1\leq i\leq m \end{cases} 因此有 AV=A[v1vrvr+1vn]=[Av1AvrAvr+1Avn]=[σ1u1σrur00]=[UrΣr0],UΣ=[UrUmr][Σr000]=[UrΣr+Umr0Ur0+Umr0]=[UrΣr0].\begin{aligned} AV &= A \begin{bmatrix} \vec{v}_1 & \cdots & \vec{v}_r & \vec{v}_{r+1} & \cdots & \vec{v}_n \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} A\vec{v}_1 & \cdots & A\vec{v}_r & A\vec{v}_{r+1} & \cdots & A\vec{v}_n \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} \sigma_1 \vec{u}_1 & \cdots & \sigma_r \vec{u}_r & \vec{0} & \cdots & \vec{0} \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} U_r \Sigma_r & 0 \end{bmatrix}, \\[10pt] U\Sigma &= \begin{bmatrix} U_r & U_{m-r}\end{bmatrix}\begin{bmatrix} \Sigma_r & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} U_r \Sigma_r + U_{m-r} \cdot 0 & U_r \cdot 0 + U_{m-r} \cdot 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} U_r \Sigma_r & 0 \end{bmatrix}. \end{aligned} 因此AV=UΣAV=U\Sigma,即得A=UΣV1=UΣVA=U\Sigma V^{-1}=U\Sigma V^\top
  • 奇异值分解不唯一:施密特正交化可以选取任意的正交基;AAA^\top A可能有相同特征值,对应不同特征向量;特征向量也可以任意取负。

SVD的几何意义

可参考B站上的无痛现代

  • 下面我们会说明:若A的SVD分解为A=UΣVA=U\Sigma V^\top,那么UUVV^\top就表示对向量的旋转或反射,而Σ\Sigma则表示对向量的缩放。
  • 对任意向量xRn\vec{x}\in\R^nAxA\vec{x}表示对x\vec{x}进行线性变换。设原Rn\R^n空间里的基向量为e1,,en,x=i=1nxiei\vec{e}_1,\cdots,\vec{e}_n,\displaystyle \vec{x}=\sum_{i=1}^n x_i\vec{e}_i,则:
    1. VV^\top为标准正交矩阵,因而将e1,,en\vec{e}_1,\cdots,\vec{e}_n映射到另一组标准正交基v1,,vn\vec{v}_1,\cdots,\vec{v}_n
    2. Σ\Sigma矩阵则将v1,,vn\vec{v}_1,\cdots,\vec{v}_n进行缩放,得到σ1v1,,σnvn\sigma_1\vec{v}_1,\cdots,\sigma_n\vec{v}_n(当r<nr< n时部分基向量缩放为0\vec{0});
    3. UU矩阵同样为标准正交矩阵,因而将σ1v1,,σnvn\sigma_1\vec{v}_1,\cdots,\sigma_n\vec{v}_n映射到Rm\R^m空间里的标准正交基u1,,um\vec{u}_1,\cdots,\vec{u}_m,最终x\vec{x}被映射到i=1rσiui\displaystyle\sum_{i=1}^r\sigma_i\vec{u}_i

    n=m=2n=m=2x\vec{x}为单位向量,则上述变换可以理解为:先将x\vec{x}绕原点旋转到v1\vec{v}_1所在的方向上(如果x\vec{x}v1\vec{v}_1同向,则不旋转),然后将其缩放σ1\sigma_1倍,最后再绕原点旋转到u1\vec{u}_1所在的方向上。(这可以模拟任意线性变换)

低秩近似(Low-Rank Approximation)

  • 实际上,SVD可以用于数据压缩,这便是低秩近似。其目标是在控制误差的前提下尽量压缩矩阵数据。
  • 对此,我们首先需要对矩阵误差进行衡量。与向量的范数类似,我们也可以定义矩阵的范数。
    • 一种最典型的矩阵范数就是Frobenius范数,其定义为(设ARm×nA\in\R^{m\times n}):

      AFi=1mj=1naij2.\|A\|_F\coloneqq\sqrt{\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^n a_{ij}^2}.

      Frobenius范数的性质包括:

      1. AF2=tr(AA)\|A\|_F^2=\text{tr}(A^\top A);(tr(AA)\text{tr}(A^\top A)表示AAA^\top A对角线元素之和)
      2. 对于任意标准正交矩阵URm×m,VRn×nU\in\R^{m\times m},V\in\R^{n\times n}UAVF=UAF=AVF=AF\|UAV\|_F=\|UA\|_F=\|AV\|_F=\|A\|_F
      3. ARm×nA\in\R^{m\times n}的秩为rr,对应奇异值为σ1σr>0\sigma_1\geq\cdots\geq\sigma_r> 0,则AF2=i=1rσi2\displaystyle\|A\|_F^2=\sum_{i=1}^r\sigma_i^2

      由此可知,当ABA-B的Frobenius范数较小时,可以说明矩阵AABB的每个对应位置元素都比较接近。

    • 另一种矩阵范数是谱范数(Spectral Norm)【也称为矩阵2\ell^2范数】,其定义为:

      A2maxxRnx2=1Ax2.\|A\|_2\coloneqq\max_{\substack{\vec{x}\in\R^n\\\|\vec{x}\|_2=1}}\|A\vec{x}\|_2.

      如果将AA看作线性变换,那么其谱范数就表示这个变换对单位向量的最大缩放因子。

      • 实际上,可以证明谱范数就是矩阵的最大奇异值σ1\sigma_1A2maxxRnx2=1Ax2=maxxRnx2=1Ax22=maxxRnx2=1xAAx=λmax{AA}=σ1.\begin{aligned} \|A\|_2 &\coloneqq \max_{\substack{\vec{x} \in \mathbb{R}^n \\ \|\vec{x}\|_2 = 1}} \|A\vec{x}\|_2 \\ &= \sqrt{\max_{\substack{\vec{x} \in \mathbb{R}^n \\ \|\vec{x}\|_2 = 1}} \|A\vec{x}\|_2^2} \\ &= \sqrt{\max_{\substack{\vec{x} \in \mathbb{R}^n \\ \|\vec{x}\|_2 = 1}} \vec{x}^\top A^\top A \vec{x}} \\ &= \sqrt{\lambda_{\max}\{A^\top A\}} \\ &= \sigma_1. \end{aligned} 其中倒数第二个等号可参考Rayleigh商的推导。
  • 在确定了矩阵误差的度量后,我们就可以进行低秩近似了:由上面的SVD分解可知,当AA的秩为rpmin{m,n}r\leq p\coloneqq\min\{m,n\}时,A=i=1rσiuivi\displaystyle A=\sum_{i=1}^r \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top。记σr+1==0\sigma_{r+1}=\cdots=0,则有 A=i=1pσiuiviA=\sum_{i=1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top 那么对任意kpk\leq p,记Aki=1kσiuiviA_k\coloneqq\displaystyle\sum_{i=1}^{k} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top,则称AkA_kAA的低秩近似。相比储存AA需要n×mn\times m空间,存储AkA_k就只需要k(m+n+1)k(m+n+1)(两个标准正交矩阵+所有奇异值)空间。
  • 下面我们说明低秩近似在Frobenius范数和谱范数范畴下都是矩阵的一个良好近似。(这一结论也称为埃卡特-杨-米尔斯基定理,Eckart-Young-Mirsky theorem)
    • 首先给出谱定理下的一个结论: Akarg minBRm×nrank(B)kAB2A_k\in\argmin_{\substack{B\in\R^{m\times n}\\\text{rank}(B)\leq k}}\|A-B\|_2 即对于任意秩不超过kk的矩阵BB,均有AAk2AB2\|A-A_k\|_2\leq\|A-B\|_2。其证明如下:
      • 首先计算AAk2\|A-A_k\|_2的值:因为AAk=i=1pσiuivii=1kσiuivi=i=k+1pσiuivi\displaystyle A-A_k=\sum_{i=1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top-\sum_{i=1}^{k} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top=\sum_{i=k+1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top,所以AAk2\|A-A_k\|_2的值即为最大奇异值σk+1\sigma_{k+1}
      • 然后证明对于任意秩不超过kk的矩阵BB均有AB2σk+1\|A-B\|_2\geq\sigma_{k+1}:定义f(x)=(AB)x2x2f(\vec{x})=\dfrac{\|(A-B)\vec{x}\|_2}{\|\vec{x}\|_2},则根据Rayleigh商的知识,AB2=maxx0f(x)\displaystyle\|A-B\|_2=\max_{\vec{x}\neq\vec{0}}f(\vec{x}),故只要找到一个x0\vec{x}_0使f(x0)σk+1f(\vec{x}_0)\geq\sigma_{k+1}即可。
      • 定义N(B){x:Bx=0},Vk+1[v1,,vk+1]\mathcal{N}(B)\coloneqq\{\vec{x}:B\vec{x}=\vec{0}\},V_{k+1}\coloneqq\begin{bmatrix}\vec{v}_1,\cdots,\vec{v}_{k+1}\end{bmatrix},则 dim(N(B))+dim(Vk+1)(nk)+k+1>n\text{dim}(\mathcal{N}(B))+\text{dim}(V_{k+1})\geq (n-k)+k+1>n 这说明N(B)Vk+1\mathcal{N}(B)\cap V_{k+1}空间一定存在一个单位基向量,将其记为x0\vec{x}_0
      • 接下来证明f(x0)σk+1f(\vec{x}_0)\geq\sigma_{k+1}f(x0)=(AB)x02x02=Ax0Bx0=02=Ai=1k+1αivix02=(i=1pσiuivi)(i=1k+1αivi)=i=1pj=1k+1σiαjuivivj2=i=1k+1αiσiui2=i=1k+1αiσiui22=i=1k+1αi2σi2σk+12i=1k+1αi2=σk+1x02=σk+1.\begin{aligned} f(\vec{x}_0)&=\frac{\|(A-B)\vec{x}_0\|_2}{\|\vec{x}_0\|_2}=\|A\vec{x}_0-\underbrace{B\vec{x}_0}_{=0}\|_2\\ &=\left\|A\underbrace{\sum_{i=1}^{k+1}\alpha_i\vec{v}_i}_{\vec{x}_0}\right\|_2=\left\|\left(\sum_{i=1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top\right)\left(\sum_{i=1}^{k+1}\alpha_i\vec{v}_i\right)\right\|\\ &=\left\| \sum_{i=1}^p \sum_{j=1}^{k+1} \sigma_i \alpha_j \vec{u}_i \vec{v}_i^\top \vec{v}_j \right\|_2\\ &=\left\| \sum_{i=1}^{k+1} \alpha_i \sigma_i \vec{u}_i \right\|_2=\sqrt{\left\| \sum_{i=1}^{k+1} \alpha_i \sigma_i \vec{u}_i \right\|_2^2} \\ &=\sqrt{\sum_{i=1}^{k+1} \alpha_i^2 \sigma_i^2}\geq \sqrt{\sigma_{k+1}^2 \sum_{i=1}^{k+1} \alpha_i^2} \\ &=\sigma_{k+1} \left\| \vec{x}_0 \right\|_2= \sigma_{k+1}. \end{aligned}
    • 类似地,Frobenius范数也有如下结论: Akarg minBRm×nrank(B)kABF.A_k\in\argmin_{\substack{B\in\R^{m\times n}\\\text{rank}(B)\leq k}}\|A-B\|_F. 其证明如下:
      • 因为AAk=i=1pσiuivii=1kσiuivi=i=k+1pσiuivi\displaystyle A-A_k=\sum_{i=1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top-\sum_{i=1}^{k} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top=\sum_{i=k+1}^{p} \sigma_i \vec{u}_i \vec{v}_i^\top,这可看作一个SVD分解,因此AAkF=i=k+1pσi2\displaystyle\|A-A_k\|_F=\sum_{i=k+1}^p\sigma_i^2
      • 而对任意秩不超过kk的矩阵BB,记CABC\coloneqq A-B,并考虑CC的SVD分解C=i=1pγiyizi\displaystyle C=\sum_{i=1}^p\gamma_i\vec{y}_i\vec{z}_i^\top,那么根据上面的推导,γi\gamma_i可用CCi12\|C-C_{i-1}\|_2Ci1C_{i-1}的秩为i1i-1)表示,即 γi=CCi12=ABCi12=A(B+Ci1)2\gamma_i=\|C-C_{i-1}\|_2=\|A-B-C_{i-1}\|_2=\|A-(B+C_{i-1})\|_2 又因为B+Ci1B+C_{i-1}的秩不超过k+i1k+i-1,所以由上面谱范数的结论, γi=A(B+Ci1)2AAi+k12=σi+k.\gamma_i=\|A-(B+C_{i-1})\|_2\geq\|A-A_{i+k-1}\|_2=\sigma_{i+k}. 对任意i=1,2,,pi=1,2,\cdots,p成立。因此 ABF=i=1pγii=1pσi+k=i=k+1pσi2.\|A-B\|_F=\sum_{i=1}^p\gamma_i\geq\sum_{i=1}^p\sigma_{i+k}=\sum_{i=k+1}^p\sigma_i^2.