矩阵分析与应用6
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中科院矩阵分析与应用大作业1. 研究背景矩阵是数学领域中的重要概念之一,它在各个领域中都有广泛的应用。
在计算机科学中,矩阵常常用于图像处理、计算机视觉等领域;在数据分析中,矩阵则被用来描述数据之间的关系。
因此,深入研究矩阵的相关算法和应用,对于提高计算机科学和数据分析领域的研究水平具有重要意义。
2. 研究目的本次研究的主要目的是掌握矩阵分析的基本概念和相关算法,并将其应用于实际问题中,进一步提高对于矩阵分析的理解和应用能力。
3. 研究内容3.1 矩阵分解矩阵分解是矩阵分析中的一项重要任务,它将一个矩阵分解成为多个小的矩阵,从而更方便的进行处理。
常见的矩阵分解算法有:1.奇异值分解(SVD)2.QR分解3.LU分解4.特征值分解3.2 矩阵重构矩阵重构是指将矩阵进行转换、组合等操作,旨在从不同的角度探索和发现矩阵的内在规律。
常见的矩阵重构算法有:1.矩阵乘法2.矩阵转置3.矩阵拼接4.矩阵切片3.3 矩阵应用矩阵在各个领域的应用非常广泛,下面列举几个常见的应用场景:1.图像处理:将图像转化成为矩阵,对其进行矩阵分解、矩阵重构等操作,从而实现图像降噪、图像识别等功能。
2.推荐系统:利用矩阵分解的方法将原始数据转化为矩阵,再对其进行推荐系统的处理,从而为用户提供更好的推荐服务。
3.聚类分析:将大量数据转化为矩阵,从而利用聚类算法对其进行分析,发现数据之间的关系,进一步深入研究数据的内在规律。
4. 研究通过对于矩阵分解、矩阵重构、矩阵应用等领域的研究,我们可以得到以下:1.奇异值分解、QR分解、LU分解、特征值分解等矩阵分解算法各有优缺点,在实际应用中应该根据具体情况选用不同的算法。
2.矩阵乘法、矩阵转置、矩阵拼接、矩阵切片等矩阵重构算法可以帮助我们从不同的角度分析和处理矩阵,从而深入研究矩阵的内在规律。
3.矩阵在图像处理、推荐系统、聚类分析等领域有着广泛的应用,掌握矩阵分析算法可以帮助我们更好地解决实际问题。
矩阵分析与应用课程设计一、背景介绍在大学数学课程中,矩阵分析成为一个非常重要的内容。
矩阵分析作为现代数学的一个重要分支,被广泛应用于物理、经济、组合优化、图形图像处理以及其他数学领域中。
因此,矩阵分析课程的教学往往也是大学数学课程中不可或缺的一部分。
二、课程设计目标本课程设计旨在通过编写矩阵分析代码实践和应用,帮助学生深入了解矩阵分析的原理和应用。
希望通过本次课程设计,学生能够掌握以下技能:1.熟练掌握Python等语言中进行矩阵计算的基本操作;2.掌握矩阵分析的基本理论和应用;3.熟悉Python等语言中常见的矩阵分析工具,如numpy、scipy等,并能够灵活应用。
三、课程设计内容本课程设计涵盖以下内容:•在Python等语言中利用numpy等工具编写矩阵计算程序,包括矩阵求逆、矩阵乘法、矩阵求秩等操作;•矩阵分析的基本理论和应用,包括线性方程组求解、矩阵特征值和特征向量、最小二乘法等;•利用Python等语言中的matplotlib等工具实现二维、三维图形的矩阵可视化,如矩阵的热度图、散点图等;•矩阵分析的实践应用,如图像处理、信号处理、金融风险评估等。
四、课程设计方案本课程设计采用以下方式进行:第一阶段:矩阵计算程序的编写本阶段主要通过引导学生编写Python等语言中的矩阵计算程序,来帮助学生加深对矩阵计算基本操作的掌握。
此阶段具体内容包括:1.矩阵求逆的实现;2.矩阵乘法的实现;3.矩阵求秩的实现。
第二阶段:矩阵分析理论的学习本阶段将重点介绍矩阵分析的基本理论和应用,并通过具体的例子来加深学生对理论的理解。
此阶段具体内容包括:1.线性方程组求解;2.矩阵特征值和特征向量的求解;3.最小二乘法的应用。
第三阶段:矩阵可视化的实现本阶段将介绍Python等语言中的matplotlib等工具,来帮助学生实现二维、三维图形的矩阵可视化。
此阶段具体内容包括:1.矩阵的热度图;2.矩阵的散点图。
第四阶段:矩阵分析的实践应用本阶段将以图像处理、信号处理和金融风险评估为例,介绍矩阵分析的实践应用。
《矩阵分析与应用》课程教学大纲
编号:
一、课程名称
1.中文名称:矩阵分析与应用
2.英文名称:Matrix Analysis and Applications
二、课程概况
课程类别:学位基础课学时数:48 学分数:3
适用专业:计算机各专业开课学期:1
开课单位:计算机系
三、大纲编写人:陈磊
四、教学目的及要求
介绍与计算机科学密切相关的矩阵理论,包括线性空间、范数理论,矩阵分析,矩阵分解,矩阵特征值估计、广义逆矩阵等。
五、课程主要内容及先修课程
1.线性空间及线性映射;
2.范数理论及其应用;
3.矩阵分析及其应用;
4.矩阵的分解;
5.特征值的估计及其矩阵的极性;
6.广义逆矩阵。
先修课程:线性代数、高等数学
六、课程教学方法
1. 教室要求:多媒体教室
2. 课件来源:自编
七、课程考核方式
考试
八、课程使用教材
程云鹏著, 矩阵论(第三版), 西北工业大学出版社, 2006年。
九、课程主要参考资料
张凯院、徐仲,矩阵论,科学出版社,2013年
分委员会主席签字:年月日
主管院长签字:年月日
注:(1)英文课程名称务必写准确;
(2)需编写的内容统一用宋小四号,行间距固定值22磅。
矩阵分析在通信中的应用•在过去的15年左右,矩阵分析这一工具在通信理论与系统中得到了广泛应用•为什么?“传统”通信(~before 2000)“现代”通信(~after 2000)•本质上,现代通信系统必须处理高维信号侧重于单点对单点强调多用户单载波多载波单天线多天线多维线性参数估计应用:信道估计与符号估值•考虑如上图所示的一个多径信道•首先发送长度为N的已知训练序列:{s(1),…,s(N)};接收端收到{y(1),…, y(N)}•如何对收到的长度为N的接收向量进行线性矩阵运算,获得对信道向量c的“最优”估值?•在获得信道向量c的估值后,发送端继续发送长度为M的未知数据序列:{x(1),…,x(M)};接收端收到{y(1),…,y(M)}•如何对收到的长度为M的接收向量进行线性矩阵运算,获得对数据向量x 的“最优”估值?多维线性参数估计应用:线性均衡•继续考虑上一页提到的数据估值问题,但是…•加入一个限制:接收端必须符合上图所示的“线性均衡器”•如何决定线性均衡器各个“分支”的系数,获得对数据向量x的“最优”估值?多天线系统(MIMO)•从单天线系统(SISO)演进到多天线系统(MIMO),是过去20多年通信领域的最重要技术发明之一•对MIMO系统的研究,使得矩阵分析理论在通信界成为“必备”的知识•下面的这个信号模型是“无数”MIMO论文的基础Y=HX+Z多天线系统(MIMO):单用户信道容量Y=HX+Z•考虑一个单用户MIMO信道–发送端M根天线,接收端N根天线–信道矩阵H的维数是N*M–发送端总功率受限或各根天线功率受限•若信道矩阵H给定,信道容量如何获得?–收端精确知道H,发端不知道H–收发端均精确知道H–收发端均不知道H•若信道矩阵H服从某一分布,信道容量如何定义,如何获得?多天线系统(MIMO):多用户信道容量Y=[H1, H2] [X1;X2]+Z•上行多用户MIMO信道–2个用户–每个用户发送端M根天线–基站接收端N根天线–发送端总功率受限[Y1;Y2]=[H1;H2] X+Z•下行多用户MIMO信道–2个用户–基站发送端M根天线–每个用户接受端N根天线–发送端总功率受限多天线系统(MIMO):接收机设计Y=HX+Z•考虑一个单用户MIMO信道–发送端M根天线,接收端N根天线–信道矩阵H的维数是N*M–发送端总功率受限或各根天线功率受限–接收端精确知道信道矩阵H•接收端如何获得对X的“最佳”估值?•接收端如何获得对X的“最佳”线性估值?•什么样的接收机估值处理能够做到不损失信道容量?多天线系统(MIMO):ZF与ZF-SIC接收机Y=HX+Z•ZF接收机–在对每个符号估值的时候,确保其它符号对其的干扰为零(zero-forcing)–通过对矩阵H做QR分解Y=HX+Z=QRX+ZQ H Y=RX+Q H ZR-1Q H Y=X+R-1Q H Z–X的每个符号可以独立做估值•ZF-SIC接收机–也叫作V-BLAST–对每一个符号做ZF–随后将此符号在Y中的贡献减掉,再对下一个符号做ZF多天线系统(MIMO):MMSE与MMSE-SIC接收机Y=HX+Z•(线性)MMSE接收机–寻找一个M*N维的矩阵G,使得GY最小化均方误差–推导过程需要利用到正交准则•MMSE-SIC接收机–对每一个符号做MMSE–随后将此符号在Y中的贡献减掉,再对下一个符号做MMSE–MMSE-SIC接收机与信道容量的关系多天线系统(MIMO):码间串扰信道Revisit•接收端符号表示•在发端做一个cyclic prefix处理(增加的长度为L-1)•在收端,将前L-1个符号丢掉,只保留随后的N个符号•可以证明,对于这个系统,发端的傅里叶逆变换与收端的傅里叶变换一起,可以对角化任何信道,从而达到完全消除码间串扰的目的–OFDM系统•不需要做时域均衡多天线系统(MIMO):预编码矩阵设计Y=HX+Z•发送端知道信道H•如何设计一个线性矩阵F,来“预编码”需要发送的符号向量s?•随着优化目标的不同,对应的预编码矩阵也不同–保留信道容量–对角化信道–优化成对出错概率–单用户vs多用户•向量信道的最大比(MRT)发送预编码•ZF预编码•其它预编码多天线系统(MIMO):最优空时分组码设计Y=HX+Z•发送端不知道信道H•如何设计一个线性矩阵X,来“预编码”需要发送的符号向量s?–X必须与H无关,仅与s有关•最早的空时分组码:Alamouti Code(1998)•随后出现了多种基于矩阵代数的空时分组码•着重讨论最优设计准则与在有反馈情况下的分组码设计。
第五章 矩阵分析及其应用知识要点:1、矩阵序列(收敛性,有界性,四则运算,收敛矩阵)2、矩阵级数(绝对收敛,幂级数,收敛半径)3、矩阵函数(定义,利用Cayley Hamilton -定理的级数求和法,利用Jordan 标准型的相似变换法,利用矩阵谱的待定系数法)4、矩阵微积分(单变量函数矩阵的微分与积分,矩阵函数的微分与积分,矩阵指数函数)5、矩阵分析的应用(常系数线性微分方程组,变系数线性微分方程组,2元信号检测,匹配滤波,梯度分析与最优化)§5.1 矩阵序列一、矩阵序列收敛的概念定义1:设有矩阵序列()(),1,2,k n nk ij A a Ck ⨯=∈= ,若当k →∞时,0k A A -→,则称矩阵序列{}k A 收敛于极限()n nij A a C ⨯=∈,记作k A A →。
不收敛的矩阵序列称为发散的。
定理1:k A A →的充要条件是()k ij ij a a →,即按元素位置收敛。
注:若以定理的结论为矩阵序列收敛的定义,则有结论:存在某矩阵范数⋅,使得k →∞时,0k A A -→。
推论1:0k A →的充要条件是()0k ij a →。
二、矩阵序列收敛的性质性质:设k A A →,k B B →,则有 1、,C αβ∀∈,k k A B A B αβαβ+→+; 2、k k A B AB →;3、11k A A --→(假设1A -存在)。
定义2:如果存在常数0M >,使得对一切k 都()k ij a M <,则称矩阵序列{}k A 有界。
定理2:收敛的矩阵序列必有界。
定理3:有界矩阵序列{}k A 必有收敛的子序列{}s k A 。
定理4:矩阵序列{}k A 有界的充分必要条件为存在常数0M >,使得k A M ≤。
三、收敛矩阵定义3:设A 为方阵、且当k →∞时有0k A →,则称A 为收敛矩阵。
定理5:0k A → (k →∞)的充要条件是A 的谱半径()1A max ρλ=<,即所有特征值的模小于1。