Norms or maybe more

阅读数：20868次 2018-07-10

字数统计: 887字 | 阅读时长≈ 3分

范数

范数分为向量范数、矩阵范数，其本质可以不准确但直观地说，是距离，分别表征向量大小、矩阵引起变化的大小。你可能会问，什么叫矩阵引起变化的大小，我们知道矩阵乘法运算AX=B，将向量X变为向量B，而矩阵范数表征的就是，A作为一个矩阵，其将X变成B，A->B的这个变化程度有多大。

L-P范数准确地来说，不是一个范数，而是一组范数的定义。p可以为0、1、2、3……这和闵可夫斯基距离类似。

L-P范数的公式为： $L_p=\sqrt[p]{\sum_{i=1}^nx_i^p},(x=x_1.x_2.x_3,…,x_n)$

norms

L-0范数，也就是p=0。可以看到，不存在 $\sqrt[0]{x}$ 的情况，所以在很多情况下，大家用

$||x||_0={x}{(i|x_i{\neq}0)}$

来表示，向量 $x$ 中有多少个非零元素。

L-1范数的定义如下：
$L_1=\sum_{i=1}^n|x_i|,(x=x_1.x_2.x_3,…,x_n)$

表示向量 $x$ 中非零元素的绝对值之和。

L-1范数也被称为曼哈顿距离，形象地看，所谓曼哈顿距离就是测量在曼哈顿街区中，一辆车从一栋楼到另一栋楼的距离是多少，也叫绝对误差和（sum of absolute difference）：

$SAD(x_1,x_2)=\sum_i|x_{1i}-x_{2i}|$

L-2范数是我们最常见也用的做多的范数，欧氏距离就是L-2范数的一种。其定义如下：

$L_2=\sqrt[2]{\sum_{i=1}^nx_i^2},(x=x_1.x_2.x_3,…,x_n)$

$L_2$ 可以度量两个向量之间的差距，成为平方差和（sum of square difference）公式如下：

$SSD(x_1,x_2)=\sum_i(x_{1i}-x_{2i})^2$

无穷范数直观地来看，就是取向量的最大值。其定义如下：

$L_{\infin}=\sqrt[{\infin}]{\sum_{i=1}^nx_i^{\infin}},(x=x_1.x_2.x_3,…,x_n)$

先说结论，无穷范数表示的是最大值。

这可能很难理解，但我们可以在直觉上思考， $2^{10000}$ 要比 $1.9^{10000}$ 要大得多得多，那么我们继续把他们的幂放大，放大到无穷大的时候， $2^{\infin}$ 与 $1.9^{\infin}$ 相比，后者已经小到可以忽略不计。因此，无限方根就是2本身了。

度量两个向量的差异，我们通常称为切比雪夫（ Chebyshev）距离：

$max(|x2-x1|,|y2-y1|)$

啥叫切比雪夫距离？

国际象棋玩过么？

Chess

国王走一步能够移动到相邻的8个方格中的任意一个。

那么国王从格子 $(x1,y1)$ 走到格子 $(x2,y2)$ 最少需要多少步？

自己走走试试。你会发现最少步数总是 $max(| x2-x1 | , | y2-y1 | )$ 步。

切比雪夫距离就是衡量这样的距离。其应用广泛，因为只需取坐标距离的最大值，所以计算量不大，在游戏中广泛运用，比如Minecraft就是用切比雪夫距离来计算距离的。

计算机领域用的比较多的就是迭代过程中收敛性质的判断，如果理解上述的意义，在计算机领域，一般迭代前后步骤的差值的范数表示其大小，常用的是二范数，差值越小表示越逼近实际值，可以认为达到要求的精度，收敛。具体优化方法为以梯度下降为基础的一系列算法。