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线性代数

值域和零空间

设矩阵 ARm×nA值域是指 Rm 中能够写成 A 的列向量的线性组合的所有向量的集合,即

R(A)={AxxRn}

值域 R(A)Rm 的子空间,它的维数是 A,记作 rankAA 的秩一定不会大于 mn 的较小值。当 rankA=min{m,n} 时,称 A满秩矩阵。

A零空间(或)是指被 A 映射成零的所有向量 x 的集合,即

N(A)={xAx=0}

正交补

V={xzV,zx=0}

有如下结论恒成立:

V=V

A 导出的正交分解

N(A)=R(A)

对称特征值分解

An 阶实对称矩阵,则 A 可以因式分解为

A=QΛQ

其中 QRn×n 是正交矩阵,满足 QQ=I,而 Λ=diag(λ1,,λn)。实数 λiA特征值,是特征多项式 det(sIA) 的根,Q 的列向量构成 A 的一组正交特征向量

通常我们将特征值按从大到小排序,用 λi(A) 表示第 i 大特征值。最大特征值记作 λ1(A)=λmax(A),最小特征值记作 λn(A)=λmin(A)

特征值具有如下性质:

detA=i=1nλitrA=i=1nλi

矩阵不等式

λmax(A)=supx0xAxxx,λmin(A)=infx0xAxxx

特别地,对 x,我们有

λmin(A)xxxxλmax(A)xx

正定矩阵

若矩阵 Ax0,有 xAx>0 成立,则称矩阵 A 正定,记作 A0。显然,A0 的充要条件是 λmin(A)>0

同理,半正定(非负定)、负定、半负定(非正定)矩阵的定义类似。本文从略。

对称平方根

A1/2=Qdiag(λ11/2,,λn1/2)Q

平方根 A1/2 是矩阵方程 X2=A 的唯一的对称半正定的解。

广义特征值分解

两个对称矩阵 (A,B)Sn×Sn 的广义特征值定义为多项式 det(sBA) 的根。

奇异值分解

ARm×nrankA=r,那么 A 可以因式分解为

A=UΣV

其中 URm×r 满足 UU=IVRn×r 满足 VV=I,而 Σ=diag(σ1,,σr) 满足

σ1σ2σr>0

称为 A奇异值分解(SVD)。U 的列向量称为 A左奇异向量V 的列向量称为 A右奇异向量,而 σi 称为奇异值。奇异值分解可以写成

A=i=1rσiuivi

伪逆

A=UΣVAm×n 的奇异值分解,rankA=r,则 A伪逆

A=VΣ1URn×m

伪逆可以用于求解最小二乘、最小范数、二次规划以及(Euclid)投影这些问题。

Schur 补

考虑进行以下划分的矩阵 XSn

X=[ABBC]

其中 ASk。如果 detA0,矩阵

S=CBA1B

被称为 AX 中的 Schur 补。Schur 补出现于很多重要的公式和定理中,例如

detX=detAdetS

分块矩阵求逆

考虑如下分块矩阵方程:

[ABBC][xy]=[uv]

假设 detA0。将方程中的 x 消去,解得

y=S1(vBA1u)

y 代入原方程,解得

x=(A1+A1BS1BA1)uA1BS1v

于是我们可以得到分块矩阵的求逆公式:

[ABBC]1=[A1+A1BS1BA1A1BS1S1BA1S1]
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