2022-03-08-矩阵理论笔记

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(对应实轴),复数域(对应复平面)。

  • 共轭:
  • 模长:
  • 逆:

模长的性质:

  • 齐性:
  • 三角不等式:

复向量

实数域产生实向量空间;

复数域产生复向量空间

多用于列向量格式,可用表示行向量。)

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,引入记号:,

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

矩阵空间:

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:

,各为列向量。

同理。

例子

  1. 已知,则

    证明:

  2. 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

中标准内积记为:

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

是一个线性空间,有二元复函数满足上述的四条性质,则把该二元运算称为上的一个内积,把称为内积空间。

例如令,可引入内积,满足内积的四条性质。

正交复向量

中正交向量记为:

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

若有个列中,令,令:

称为这个列向量的格拉姆矩阵(内积方阵);又:

同理,如果取的是个行,可以推出:(行内积方阵,行格拉姆矩阵)。

酉阵的引入

显然,如果中的个列互相正交,那么阶对角方阵。

酉阵

酉阵定义:若阶方阵符合下列中的某一定义,则将称为阶酉阵。

  • 定义1:
  • 定义2:
  • 定义3:

酉阵的性质:构成酉阵,则:

  • 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:若阶方阵满足,则称阶预酉阵。

阶方阵为预酉阵为对角阵。

半酉阵

行矩阵满足

则称为半酉阵/列酉阵。半酉阵也有保长性、保内积、保正交、保正交组的性质,因为是把低维空间映射到高维。


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

中的一个非零向量可扩大为一组基:

中的一个非零向量可扩大为一组正交基:

可以先扩大为一组基(个线性无关的向量),再用施密特正交化转化为正交基。

 

可逆,(各列)

因为

许尔公式

许尔公式2

对于任一方阵,存在酉阵使得:

为上三角阵,且的全体特征根(即方阵相似于上三角阵,三角阵的特征值就是对角线元素)。

证明是利用数学归纳法,详见赵迪老师发的许尔公式2.pdf。

这里也称酉相似于

许尔公式1

对于任一方阵,存在可逆阵使得:

为上三角阵,且的全体特征根(即方阵相似于上三角阵,三角阵的特征值就是对角线元素)。

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:

阶方阵的全体特征根(含重复根)。

的谱半径。

的特征多项式必有分解式:

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,可以找到更好的使得:

为双线上三角阵,其中,且重复特征根写在一起。

这里的称为Jordan(若当)标准形,每个特征根对应的矩阵块称为Jordan(若当)块。

特别地:当全为0时为对角形,称为可对角化阵(单纯阵)。

矩阵的秩

秩的定义

,有多种定义,形式不同但数值相同。

从子式的角度定义

阶子式:对矩阵,任取行和,不改变它们在矩阵中的位置次序,构成的阶行列式,称为矩阵的阶子式。

如果矩阵中有非零的阶子式且没有非零的阶子式,则矩阵的秩为

从极大线性无关组的角度定义

将矩阵按行分解为个向量,组成一个向量组。则该向量组的一个最大线性无关组中包含向量的个数称为矩阵的行秩。同理可定义列秩,可证列秩等于行秩。

齐次方程组的解空间有维数公式:

恰有个基本解(线性无关),且通解为:

相关公式

秩公式

证明:同解,所以解空间维数一定相同,,用代换,则:

秩定理

相似

相似的定义:若为同阶方阵,若存在可逆矩阵使得:记为

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

,则阶方阵,阶方阵,则有特征多项式:

  • 推论1:令个0,非零根完全重合);

    特别地:若,则的特征根完全一致(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

换位公式当时,,则,各列成比例,称为比例阵。

,且

秩1方阵:

阶方阵且,则有:为列向量,为行向量。(称为秩1分解)

秩1公式:

的秩为1,则其特征根为,由秩1分解和换位公式可以证明。


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

称为方阵的平移。

阶方阵的全体特征根(含重根)记为:

  • 平移法1:的全体特征根为:

    证明:

  • 平移法2:有完全相同的特征向量

倍法

的情况下,阶方阵的全体特征根(含重根)记为:

  • 倍法1:的全体特征根为:
  • 倍法2:有完全相同的特征向量
幂法

阶方阵的全体特征根(含重根)记为:

  • 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:

为多项式,阶方阵的全体特征根(含重根)记为:

  • 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)

    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。

  • 方程组个基本解都恰为0根的特征向量。

    证明:若的一个非零解,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(称为Hermite二次型),则对于只取实数。

证明:记为复数(一阶矩阵),则:

,故为实数。

特征值:

为Hermite矩阵,则的全体特征根为实数。

证明:任取的特征向量

(特商公式)

由引理可知分子为实数,而,故为实数。


2022-03-29-矩阵理论07-Hermite矩阵的性质1

Hermite分解定理

阶Hermite阵),则存在阶酉阵使得:

为对角形,其中为实数。

证明:由许尔公式2,存在酉阵使得为上三角,则:

为下三角,

为对角形且为实数。

可写分解公式:

许尔估计

由许尔公式2:

(相似)

可写方阵

由迹公式:

,故:

  1. (称为许尔估计)
  2. 2中等号成立当且仅当为对角阵

Hermite矩阵与特征向量

阶方阵个线性无关的特征向量,令可逆,则有

定理:个无关的特征向量相似于对角形,且中列为个特征向量。

  • 推论1:若为Hermite阵,则酉相似于对角形

  • 推论2:若为Hermite阵,则个正交的特征向量

    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:

,故

备注2:若为Hermite阵且,则的特征向量。

构造Hermite阵

Hermite二次型

Hermite二次型记为

  • 必为实数
  • ,称为正定的,为正定(Hermite)阵,记为
  • ,称为半正定的,为半正定(Hermite)阵,记为
构造半正定Hermite阵

,有:

  • 为Hermite阵

    证明:

  • 半正定

    证明:令二次型为列向量

    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

为Hermite阵,则:

  • 负定正定
  • 正定的特征根全为正
  • 半正定的特征根非负

左向右证明:任取特征根,取特征向量

由特商公式:,因为,所以

右向左证明:由上节的推论:若为Hermite阵,则个正交的特征向量

对这些特征向量进行单位化,中的一组正交基,

则内积

任取,要证

可令(基的定义)

内积

由于不全为0(由于),所以

正定性与分解

为正定Hermite阵,那么可以分解为,且矩阵可逆。

证明:由Hermite分解定理:

其中为酉阵

,可写

该矩阵是两个可逆阵地乘积,一定可逆,则

反之也成立:若为Hermite阵,可逆,则正定

证明:由于可逆,所以

二次型

正定。

故若为Hermite阵,那么正定可以分解为,且矩阵可逆。

半正定也有类似的结论:

故若为Hermite阵,那么半正定可以分解为(不要求矩阵可逆)。

相合

矩阵可逆,则称相合(合同),记

  • 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()。

为Hermite阵,则:

(正定)(相合)

证明:

平方根定理

为Hermite阵,(正定)为Hermite阵),可记

证明:由Hermite分解定理:

为酉阵,显然:

为Hermite阵,且正定,

可写

,即为Hermite阵。

全为正,故正定。

同理:若为Hermite阵,(半正定)为Hermite阵)。

QR分解

又称UR分解。

为列无关矩阵,则为半酉阵为上三角阵。

其中

QR分解可以用施密特正交化方法求,再用

方阵的QR分解

n阶可逆方阵必有QR分解,其中为酉阵,

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,其中为酉阵,为上三角阵;

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,

    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,则有相同的特征根,其中

那么的正奇异值。

又记为:

正奇异值分解

正SVD,任意矩阵必有分解

为正奇异值,且均为半酉阵,

分解方法:

  1. (或)的特征根

  2. 求正交特征向量:使

  3. (可证明:

    为半酉阵)

  4. 可写正SVD分解

奇异值分解

SVD,任意矩阵,其中

为2个酉阵。

证明:已知有正SVD:,令

扩为阶酉阵(不唯一)

扩为阶酉阵(不唯一)

分解估计

个列),个列)

其中为秩1阵,可写,则:


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:,则有的正SVD()。

Eg:求

的正SVD和SVD。

矩阵,计算较为复杂,可令:

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

阶可逆阵,,则:

证明:

证明:可设

正奇异值

正规阵

正规阵的定义

阶方阵,若,则称为正规阵。

常见的正规阵
  1. 对角阵
  2. Hermite阵
  3. 斜Hermite阵(
  4. 酉阵
正规阵的性质
  1. 正规正规
  2. 正规正规
  3. 正规正规
  4. 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,必须使

引理:若分块矩阵

正规(均为方阵),则正规。

证明:

由条件:,可推出,两边取迹,而

,故,将代入中可以得到,故正规。

据此引理递推可将阶严格上三角阵推到2阶严格上三角阵;下三角阵同理。

正规分解公式

正规,则存在酉阵使得:

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:存在酉阵使得

为上三角,由正规可以推出正规,故为对角阵。

推论:正规阵必有个正交特征向量

由相似可以得出中的列个无关的特征向量,又由酉阵得出正交。


2022-04-14-矩阵理论11-镜面阵、高低分解

镜面阵

镜面阵的定义

阶方阵,若,则称为镜面阵,为镜面的法向量。

镜面阵的性质
  1. ,则

    证明:若,则内积

  2. ,即为Hermite酉阵

  3. 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

  4. 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。

,则有分解:

使得为高阵,为低阵,这里的高阵、低阵为严格定义,即:

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:对做初等行变换,得到阶梯型如下:

取出中前列,记为:

可令,得到


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:若正规,则存在酉阵使得:

。设个不重复的根,则:

(将重复根写在一起,为单位阵)。可写

性质:

  1. ,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

称为正规阵的谱分解。

正规谱分解公式

若正规阵恰有个不同根,则有谱分解,其中称为的谱阵。

正规谱分解谱阵的性质

  1. 证明:

  2. 证明:

  3. ,幂等性,同样可推广至

    证明:

  4. 证明:

  5. 的各列均为的特征向量

    证明:

正规谱分解推论

的谱分解:

证明:时即为正规谱分解,

类推可得为其他正整数时的结论,特别地

的谱分解:对于一切多项式成立,称为的谱分解。

正规谱分解谱阵公式

正规,全体不同根为,则的各谱阵为:


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。

阶方阵,若有可逆阵使得:

为对角形,则称为可对角阵。

可对角阵的性质

  1. 中的列个线性无关的特征向量

  2. 也是可对角阵,且和有相同的特征向量

  3. 为可逆的可对角阵,且有谱分解,则

可对角阵的判定

  1. 阶方阵为可对角阵个无关的特征向量
  2. 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
  3. 正规阵一定是可对角阵
  4. 阶方阵为可对角阵每个重根必有个无关的特征向量
  5. 对于阶方阵,每个重根为可对角阵
  6. 的全体不同根,则为可对角阵
  7. 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:若多项式使则称的一个0化式

可对角阵的谱公式

为可对角阵,全体不同根为,则有称为的谱分解,其中称为的谱阵,且有:

  1. ,幂等性,同样可推广至
  2. 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):,对于任意有定义:

有相同的阶数,但一般,即矩阵的直积不满足交换律。

例外:

字典序

字典序的定义

2个行,则

为字典次序,记为,称为字典序(同样也适用于这样的两个列)。

张量积的性质

  1. 两个对角阵的张量积仍为对角阵。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 吸收公式:只要有矩阵乘法定义,那么

    推广:只要有矩阵乘法定义,那么

  5. 秩公式:

  6. 逆公式:设分别为阶与阶可逆阵,则可逆,且

  7. 转置公式:

    推论:若都为酉阵,则为酉阵。

    证明:

  8. 为Hermite阵,则为Hermite阵。

  9. 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

有两个方阵,则有

其中

可写,即字典序。

引理:张量积保持相似:若

证引理:可令,则,则

证明:由许尔公式:

由引理可得,因此(字典序)共个。

2个方阵,则有

(字典序)共个。

证明:由许尔公式均为上三角)

,展开矩阵即可得到结论。

其他性质
  1. 设2个方阵分别有特征向量:

    的特征向量为:

    证明:已知,则

  2. 迹公式:

  3. 行列式公式:

    证明:令

    (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

,规定的按行拉直是一个列向量:

引理:设,记个行为,则有

(按行分块),且

拉直之间的一一对应。

矩阵拉直的性质
  1. ,则
三项拉直公式

只要有矩阵乘法定义,

推论:设,则有:


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