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Interpretación de un valor singular en un problema concreto

Con un espíritu similar al de este puesto planteo lo siguiente:

Problema contextual

Un estudiante de doctorado en Matemáticas Aplicadas está defendiendo su tesis y necesita hacer un barril de 10 galones de vodka y cerveza para aplacar a su comité de tesis. Supongamos que todos los miembros del comité, que son personas obstinadas, se niegan a firmar la documentación de su tesis hasta el día siguiente. Dado que todos los miembros del comité volverán a casa inmediatamente después de su defensa, quiere asegurarse de que todos vuelvan a casa sanos y salvos. Para ello, debe asegurarse de que su mezcla no contenga demasiado alcohol.

Por lo tanto, su objetivo es hacer una mezcla de 10 litros de vodka y cerveza tal que el contenido total de alcohol de la mezcla sea sólo $12$ por ciento. Supongamos que la cerveza tiene $8\%$ alcohol mientras que el vodka tiene $40\%$ . Si $x$ es el volumen de cerveza y $y$ es el volumen de vodka necesario, entonces claramente el sistema de ecuaciones es

\begin{equation} x+y=10 \\ 0.08 x +0.4 y = 0.12\times 10 \end{equation}

Mi pregunta

La descomposición del valor singular de la matriz correspondiente

\begin{equation} A=\left[ \begin{array}{cc} 1 & 1\\ 0.08 & 0.4 \end{array} \[derecha] \N - fin {equation}

es

$$A=U\Sigma V^T$$

con

\begin{equation} U=\left[ \begin{array}{cc} -0.9711 & -0.2388\\ -0.2388 & 0.9711 \end{array} \[derecha] \N - fin {equation}

\begin{equation} \Sigma=\left[ \begin{array}{cc} 1.4554 & 0\\ 0 & 0.2199 \end{array} \[derecha] \N - fin {equation}

\begin{equation} V=\left[ \begin{array}{cc} -0.6804 &-0.7329\\ -0.7329 & 0.6804 \end{array} \[derecha] \N - fin {equation}

¿Cómo interpreto su significado físico de los valores singulares y las columnas de las dos matrices unitarias en el contexto de este problema concreto? Es decir, ¿qué idea me dan estas cantidades sobre la naturaleza del propio problema o de las perturbaciones del mismo?

2voto

Christopher A. Wong Puntos 12513

Creo que es más fácil interpretar esto cuando no pensamos en los espacios vectoriales en cuestión como $\mathbb{R}^2$ sino que piense en $A$ como un mapa lineal entre el espacio vectorial $V = (\text{beer}, \text{vodka})$ al espacio vectorial $W = (\text{volume}, \text{alcohol content})$ . Este mapa toma las bebidas que tienes y escupe su correspondiente volumen total de líquido y contenido de alcohol cuando se mezclan.

Ahora, consideremos el círculo unitario en $V$ es el conjunto de todos los pares de bebidas alcohólicas cuyo "radio" (que es diferente del volumen total del líquido) es igual a $1$ . Consideremos ahora el conjunto de todos los puntos de $W$ correspondientes a los volúmenes totales de líquido, pares de contenido de alcohol:

SVD ellipse

(Ignora las etiquetas de arriba y el ángulo de la elipse; es sólo una ayuda para la visualización)

Entonces el primer vector singular izquierdo $u_1$ corresponde a la dirección en el $(\text{volume}, \text{alcohol content})$ espacio que es más sensible a algún cambio en el $(\text{beer}, \text{vodka})$ espacio; la cantidad en la que cambia (como relación de magnitudes) viene dada por el valor singular $\sigma_1$ y la dirección en el $(\text{beer}, \text{vodka})$ espacio correspondiente a este cambio es el vector singular derecho $v_1$ .

Por lo tanto, si quieres utilizar la menor cantidad posible de cerveza y vodka (medidos en la norma euclidiana y no en la norma de "volumen") para afectar al mayor cambio en el volumen correspondiente y en el contenido de alcohol del resultado de la mezcla, debes añadir/eliminar una cantidad de cerveza+vodka de tu mezcla en proporciones relativas correspondientes al vector singular correcto $v_1$ ; en nuestro caso, esto significa añadir/remover cerveza/vodka en una proporción de $0.6804:0.7329$ (los signos no importan, ya que siempre puedes darles la vuelta).

Para interpretar el segundo vector singular izquierdo $u_2$ podemos volver a consultar el diagrama: corresponde al siguiente cambio más grande posible en el $(\text{volume}, \text{alcohol content})$ espacio que es ortogonal a $u_1$ . Este cambio tiene una sensibilidad dada por $\sigma_2$ y es causada por la adición/remoción de cerveza/vodka en proporciones relativas dadas por el segundo vector singular derecho $v_2$ .

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