Jeśli wygeneruję losową macierz symetryczną, jaka jest szansa, że ​​jest ona dodatnia?


32

Mam dziwne pytanie, kiedy eksperymentowałem z wypukłymi optymalizacjami. Pytanie brzmi:

Załóżmy, że losowo (powiedzmy standardowy rozkład normalny) generuję macierz symetryczną (na przykład generuję górną macierz trójkątną i wypełniam dolną połowę, aby upewnić się, że jest symetryczna), jaka jest szansa, że ​​jest to wartość dodatnia określona matryca? Czy w ogóle można obliczyć prawdopodobieństwo?N×N


1
Spróbuj symulacji ...
— kjetil b halvorsen

1
@kjetilbhalvorsen dzięki, ale zastanawiam się, jaka jest szansa, że ​​wszystkie wartości własne są większe niż 0. Czy możemy to zrobić nawet analitycznie.
— Haitao Du

6
Odpowiedź zależy od tego , jak wygenerujesz macierz. Na przykład jeden sposób generuje rzeczywistych wartości własnych zgodnie z pewnym rozkładem, a następnie koniuguje tę diagonalną macierz z losową macierzą ortogonalną. Wynik będzie pozytywny, jeśli tylko te wszystkie wartości własne są pozytywne. Jeśli miałbyś generować wartości własne niezależnie zgodnie z rozkładem symetrycznym około zera , wówczas ta szansa oczywiście wynosi najwyżej . Aby wygenerować macierz PD, wybierz dobrze wartości własne! (W celu szybkiej pracy tworzę takie macierze, jak kowariancje wielowymiarowych danych normalnych.)n2−n
— whuber

11
Nie jest to odpowiedź na zadane pytanie, ale zwróć uwagę, że jeśli najpierw symulujesz macierz z każdym wpisem iid normalnym i tymi samymi wymiarami , to jest symetryczny i dodatni z prawdopodobieństwem 1.LNN=LLT
— Cliff AB

Odpowiedzi:


41

Jeśli macierze są narysowane na podstawie standardowych iid pozycji iid, prawdopodobieństwo bycia zdefiniowanym dodatnio wynosi około , więc na przykład, jeśli , szansa wynosi 1/1000, i potem dość szybko spada. Obszerną dyskusję na to pytanie można znaleźć tutaj .pN≈3−N2/4N=5

Możesz nieco zinterpretować tę odpowiedź, przyjmując, że rozkład wartości własnej macierzy będzie w przybliżeniu półkolem Wignera , który jest symetryczny względem zera. Gdyby wszystkie wartości własne były niezależne, miałbyś szansę na pozytywną definitywność dzięki tej logice. W rzeczywistości zachowuje się , zarówno z powodu korelacji między wartościami własnymi, jak i prawami rządzącymi dużymi odchyleniami wartości własnych, szczególnie najmniejszymi i największymi. W szczególności losowe wartości własne są bardzo podobne do naładowanych cząstek i nie lubią być blisko siebie, dlatego odpychają się nawzajem (wystarczająco dziwnie z tym samym polem potencjalnym co naładowane cząstki, , gdzie(1/2)NN2∝1/rrto odległość między sąsiednimi wartościami własnymi). Proszenie ich o pozytywne nastawienie byłoby zatem bardzo wysoką prośbą.

Ponadto, z uwagi na prawa uniwersalności w teorii macierzy losowych, mocno podejrzewam, że powyższe prawdopodobieństwo będzie prawdopodobnie takie samo dla zasadniczo każdej „rozsądnej” macierzy losowej, z wejściami o średniej skończonej i odchyleniu standardowym.pN


5
Miło wiedzieć, że jest bardzo niska. Nie będę więc używał próbkowania odrzucania do tworzenia macierzy SPD w przyszłości.
— Haitao Du

5
@ hxd1011: jeśli próbujesz próbkować matryce SPD, sugeruję metodę opisaną w powyższych komentarzach. Ponadto pomocne może być przeczytanie o rozkładach Choleskiego
— Cliff AB

@CliffAB dzięki. Zwykle macierz SPD z macierzy kowariancji niektórych danych lub z podobną do tej, którą sugerujesz. Miałem czas, aby ręcznie wprowadzić niektóre liczby do małej macierzy, powiedzmy i mam nadzieję, że to macierz PD. A′A2×2
— Haitao Du
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.