矩阵理论的课上笔记整理。
2022-03-08-矩阵理论01-预备知识1
复数
两个定义域:实数域
- 共轭:
- 模长:
- 逆:
模长的性质:
- 齐性:
- 三角不等式:
复向量
实数域
复数域
(
共轭转置
在转置的基础上再做共轭。
对于复数域上的列向量
其共轭转置
共轭转置的性质:
- 自反性:
- 可加性:
- 齐性:
复向量的模
对于任一复向量
模长记为:
模长的性质:
- 正性:
- 齐性:
- 三角不等式:
模公式:
求迹:
拓展的模公式:
复矩阵
复
共轭转置
共轭转置的性质:
- 自反性:
- 可加性:
- 齐性:
复矩阵的模
模长的性质:
- 正性:
- 齐性:
模公式:
证明矩阵的模公式:
例子
已知
,则 。 证明:
。 证明:
推论:对于方阵而言:
2022-03-10-矩阵理论02-预备知识2
复向量的标准内积
内积的性质:(具有这四条性质就可以称为内积,即可以定义一些非标准内积)
- 正性:
- (共轭)齐性:
- (共轭)对称性:
- 可加性:
由标准内积定义的标准模长:
标准模长的性质:
- 正性:
- 齐性:
- 单位向量:
内积空间
设
例如令
正交复向量
定义为:
正交复向量的性质:
对称性:
齐性:若
,则 ,因为 勾股公式:若
,则 证明:
推广:若
,则: 非零正交组必线性无关(利用线性无关的定义证明)
2022-03-15-矩阵理论03-引入酉阵
格拉姆矩阵
若有
称为这
由
同理,如果取的是
酉阵的引入
显然,如果
酉阵
酉阵定义:若
- 定义1:
- 定义2:
- 定义3:
酉阵的性质:
这些列的新排列
构成酉阵。 取单位复数
,则 构成酉阵。 保长性:
(相当于一个转动或镜像)。 证明:
保内积:
(相当于保夹角)。 证明:
保正交:若
,则 。 保正交组:
,则 。 保正交基:保持正交基(
维空间中的 个互正交向量)、标准正交基(长度都为1的正交基)。 乘法封闭性:
为同阶酉阵,则 为酉阵。 证明:
或者用酉阵的保正交组性和保长性证明(将
视为一组列向量)。 分块酉阵:若
为酉阵,则: 为酉阵。
正交矩阵就是实酉阵。
预酉阵
预酉阵定义:若
半酉阵
若
则称
2022-03-17-矩阵理论04-许尔公式
这次课开头补充了一些酉阵相关内容,这部分合并到上一节了。
引理
可以先扩大为一组基(
令
则
因为
许尔公式
许尔公式2
对于任一方阵
为上三角阵,且
证明是利用数学归纳法,详见赵迪老师发的许尔公式2.pdf。
这里也称
许尔公式1
对于任一方阵
为上三角阵,且
证明同样是利用数学归纳法,详见赵迪老师发的许尔公式1.pdf。
许尔公式1弱于许尔公式2。
2022-03-22-矩阵理论05-Jordan标准形、秩
常见记号:
令
且有开来(Caylay)公式:
引出Jordan标准形
许尔公式1中的可逆矩阵不唯一,可以找到更好的
为双线上三角阵,其中
这里的
特别地:当
矩阵的秩
秩的定义
从子式的角度定义
如果矩阵中有非零的
从极大线性无关组的角度定义
将矩阵按行分解为
齐次方程组
即
相关公式
秩公式
证明:
秩定理
相似
相似的定义:若
相似的性质:
自反性:
对称性:
传递性:
特征多项式:若
,则 ,即特征多项式相同,特征值相同。 幂的性质:若
,则 ,证明:
换位公式
若
推论1:令
则 ( 个0,非零根完全重合); 特别地:若
,则 与 的特征根完全一致(说明特征根完全一致不一定需要两个矩阵相似)。 推论2:
。
秩1公式
换位公式当
秩1方阵:
若
秩1公式:
若
2022-03-24-矩阵理论06-特征值和特征向量
特征值和特征向量的性质
平移法
将
若
平移法1:
的全体特征根为: 证明:
平移法2:
与 有完全相同的特征向量
倍法
- 倍法1:
的全体特征根为: - 倍法2:
与 有完全相同的特征向量
幂法
幂法1:
的全体特征根为: 幂法2:
的特征向量一定是 的特征向量(称为遗传法) 证明:
,依次类推
更一般的遗传法:
的全体特征根为: 的特征向量一定是 的特征向量
秩1矩阵的特征值和特征向量
设方阵
秩为1,则 中的列(非0)都是 的特征向量。 证明:
则必有分解: ( 为非零列向量, 为非零行向量) 故
是 的特征向量,而 中的各列都是 的倍数,所以 中的列是 的特征向量。 方程组
的 个基本解 都恰为0根的特征向量。 证明:若
为 的一个非零解,则 所以
的任意非零解都是0根的特征向量
Hermite矩阵的特征值和特征向量
Hermite矩阵的定义:
引理:令
证明:记
特征值:
若
证明:任取
由引理可知分子为实数,而
2022-03-29-矩阵理论07-Hermite矩阵的性质1
Hermite分解定理
若
为对角形,其中
证明:由许尔公式2,存在酉阵
故
可写分解公式:
许尔估计
由许尔公式2:
即
故
可写方阵
由迹公式:
(称为许尔估计) - 2中等号成立当且仅当
即 为对角阵
Hermite矩阵与特征向量
若
定理:
推论1:若
为Hermite阵,则 酉相似于对角形 推论2:若
为Hermite阵,则 有 个正交的特征向量 证明:由上一定理和酉阵列正交的性质可证
备注1:Hermite阵不同根的特征向量必正交。证明:
备注2:若
构造Hermite阵
Hermite二次型
Hermite二次型记为
必为实数 - 若
,称 为正定的, 为正定(Hermite)阵,记为 - 若
,称 为半正定的, 为半正定(Hermite)阵,记为
构造半正定Hermite阵
为Hermite阵 证明:
半正定 证明:令二次型
, 为列向量 则
, 同理。
2022-03-31-矩阵理论08-Hermite矩阵的性质2
正定性与特征根的性质
若
负定 正定 - 若
正定 则 的特征根全为正 - 若
半正定 则 的特征根非负
左向右证明:任取特征根
由特商公式:
右向左证明:由上节的推论:若
对这些特征向量进行单位化,
且
则内积
任取
可令
内积
由于
正定性与分解
若
证明:由Hermite分解定理:
其中
且
令
该矩阵是两个可逆阵地乘积,一定可逆,则
反之也成立:若
证明:由于
故
二次型
故
故若
半正定也有类似的结论:
故若
相合
若
- 相合保持Hermite阵(若
为Hermite阵则 ( 为可逆阵)为Hermite阵)。 - 相合保持正定(若
为正定阵则 ( 为可逆阵)为正定阵)。 - 相合具有传递性(
)。
若
证明:
平方根定理
若
证明:由Hermite分解定理:
为Hermite阵,且
可写
令
则
同理:若
QR分解
又称UR分解。
若
其中
QR分解可以用施密特正交化方法求
方阵的QR分解
n阶可逆方阵
为上三角阵。
若分解时采用施密特正交化方法则
n阶不可逆方阵也有QR分解,其中
此时施密特正交化方法失效(施密特正交化方法要求可逆),可用镜面阵方法。
2022-04-07-矩阵理论09-矩阵分解
常见矩阵分解
QR分解:
, 为酉阵, 为上三角阵。 Hermite分解:
, , 为酉阵, 为对角阵,对角元素为特征根。 Jordan形分解:
, 为可逆矩阵, 为
的Jordan形。 正定(半正定)分解:
为正定(半正定)Hermite矩阵, , 为可逆矩阵; , 为正定Hermite矩阵。 乔利斯基分解:Cholesky分解,
为正定Hermite矩阵, , 为上三角矩阵。当
为实矩阵时,也称LU分解或LLT分解,L为下三角阵,U为上三角阵,为L的转置。
奇异值
给定矩阵
那么
又记为:
正奇异值分解
正SVD,任意
分解方法:
求
(或 )的特征根 求正交特征向量:
使 求
(可证明: ) 令
( 为半酉阵) 可写正SVD分解
奇异值分解
SVD,任意
证明:已知有正SVD:
把
把
分解估计
令
其中
2022-04-12-矩阵理论10-SVD、正规阵
SVD
低阵正SVD分解的简化
低阵:列数大于行数的矩阵,较扁平。
高阵:行数大于列数的矩阵,较瘦高。
若有正SVD:
Eg:求
的正SVD和SVD。
求B的正SVD:
为对角阵,
取特征向量
正奇异值
得到正SVD:
扩大为SVD:
正奇异值性质
若
证明:
故
设
则
证明:可设
正奇异值
正规阵
正规阵的定义
常见的正规阵
- 对角阵
- Hermite阵
- 斜Hermite阵(
) - 酉阵
正规阵的性质
正规 正规 - 若
正规 正规 - 若
正规 正规 正规 正规( 为酉阵),即酉相似保持正规性
常见的非正规阵
严格三角阵非正规。
证明:首先证明2阶严格上三角阵非正规:设
为严格上三角阵,则
要使
引理:若分块矩阵
正规(
证明:
由条件:
故
据此引理递推可将
正规分解公式
若
且
正规分解公式与Hermite分解公式形式相同,但条件由Hermite阵放宽为正规阵。
证明:由许尔公式:存在酉阵
为上三角,由
推论:正规阵
由相似可以得出
2022-04-14-矩阵理论11-镜面阵、高低分解
镜面阵
镜面阵的定义
镜面阵的性质
若
,则 证明:若
,则内积 , ,即 为Hermite酉阵 ( 个1),其中-1对应特征向量 ,1对应与特征向量 垂直的特征向量 证明:
为秩1阵, ,故 , 镜面阵是正规阵,可取
为酉阵,使得
高低分解
又称满秩分解,最大秩分解。
令
高阵:行数大于列数且列满秩。
低阵:列数大于行数且行满秩。
秩1分解是高低分解的特殊情况。
分解过程:对
取出
可令
2022-04-19-矩阵理论12-正规谱分解
正规谱分解的定义
由正规分解:若
且
(将重复根写在一起,
性质:
,称为幂等性,可推广至 注:幂等阵:
,也称投影阵,性质: , 的特征根为1或0,即 ,1的个数为
把
正规谱分解公式
若正规阵
正规谱分解谱阵的性质
证明:
证明:
,幂等性,同样可推广至 证明:
证明:
的各列均为 的特征向量 证明:
正规谱分解推论
证明:
类推可得
正规谱分解谱阵公式
设
2022-04-21-矩阵理论13-可对角阵
可对角阵的定义
可对角阵,也称单阵、单纯阵。
为对角形,则称
可对角阵的性质
中的列 为 的 个线性无关的特征向量 也是可对角阵,且和 有相同的特征向量 若
为可逆的可对角阵,且有谱分解 ,则
可对角阵的判定
阶方阵 为可对角阵 有 个无关的特征向量 - 若
有 个不同特征根则 为可对角阵,因为不同根对应的特征向量一定线性无关 - 正规阵一定是可对角阵
阶方阵 为可对角阵 每个 重根必有 个无关的特征向量 - 对于
阶方阵 ,每个 重根 有 为可对角阵 - 若
为 的全体不同根,则 为可对角阵 - 0化式判别法:若
的一个0化式无重根,则 为可对角阵;0化式的定义:若多项式 使 则称 是 的一个0化式
可对角阵的谱公式
若
,幂等性,同样可推广至 的各列均为 的特征向量
谱阵公式:
2022-04-26-矩阵理论14-张量积
张量积的定义
张量积(直积):
例外:
字典序
字典序的定义
2个行
为字典次序,记为
张量积的性质
两个对角阵的张量积仍为对角阵。
两个上三角阵的张量积仍为上三角阵,张量积的对角元为原来两个矩阵对角元的字典序。
分块矩阵的张量积:
即左分块可以结合,但这个结论对于右分块不成立。
注:令
,其中 为各列,则: ,即 的列为 各列的字典序。 吸收公式:只要
和 有矩阵乘法定义,那么 。 推广:只要
和 有矩阵乘法定义,那么 。 秩公式:
。 逆公式:设
分别为 阶与 阶可逆阵,则 可逆,且 。 转置公式:
且 。 推论:若
和 都为酉阵,则 为酉阵。 证明:
。 若
为Hermite阵,则 为Hermite阵。 若
为幂等阵,则 为幂等阵。
2022-04-28-矩阵理论15-张量积与特征值、矩阵拉直
张量积的特征值
积
有两个方阵
其中
可写
引理:张量积保持相似:若
证引理:可令
证明:由许尔公式:
由引理可得
和
2个方阵
证明:由许尔公式
则
其他性质
设2个方阵
分别有特征向量: 和 则
的特征向量为: 。 证明:已知
,则 迹公式:
行列式公式:
, 证明:令
则
而
(字典序) 行列式为全体特征值的乘积,故
矩阵拉直
矩阵拉直的定义
令
引理:设
拉直
矩阵拉直的性质
- 设
,则
三项拉直公式
只要
推论:设
2022-05-05-矩阵理论16-线上自学
由于疫情原因,此后课程改为线上自学,内容如下:
上课时间 | 主要内容 | 对应赵迪老师所发的pdf |
---|---|---|
2022-05-05 | 矩阵理论16-矩阵函数 | 矩阵函数.pdf |
2022-05-10 | 矩阵理论17-幂0阵、若当块与矩阵函数 | 幂0阵、若当块与矩阵函数.pdf |
2022-05-12 | 矩阵理论18-求导公式与应用 | 求导公式与应用.pdf |
2022-05-17 | 矩阵理论19-广谱公式 | 广谱公式.pdf |
2022-05-19 | 矩阵理论20-矩阵范数1 | 矩阵范数1.pdf |
2022-05-24 | 矩阵理论21-矩阵范数2 | 范数理论2-圆盘-许尔估计.pdf |
2022-05-26 | 矩阵理论22-广义逆1 | 广义逆1.pdf |
2022-05-31 | 矩阵理论23-广义逆2 | 广义逆2-高低阵.pdf |
2022-06-02 | 矩阵理论24-总复习 | 复习考题.pdf+复习答案.pdf |