线代 A1 笔记 第 14 部分(等价关系、矩阵的相抵与广义逆)

Last updated on November 30, 2023 1:25 PM

等价关系

集合 SS 上的一个二元关系 \sim 若具有下述性质:a,b,cS\forall a,b,c\in S,有

  1. 反身性:aaa \sim a
  2. 对称性:ab    baa\sim b\implies b\sim a
  3. 传递性:abbc    aca\sim b\land b\sim c\implies a\sim c

\simSS 上的一个等价关系。对于 aSa\in S,称 a={xSxa}\overline{a} = \left\{ x\in S\mid x\sim a \right\}aa 确定的等价类

a,bSa,b \in S,要么 a=b\overline{a}=\overline{b},要么 ab=\overline{a}\cap \overline{b} = \varnothing

等价关系可以将集合 SS 划分成若干个等价类,记作 π(S)\pi_{\sim}(S)

相抵

若经过一系列初等行/列变换,AA 能够变成 BB,则称 AABB 相抵,即存在可逆矩阵 P,QP,Q s. t. PAQ=BPAQ=B。相抵关系为 Mm×n(K)M_{m\times n}(K) 上的等价关系。

rank(Am×n)=r\operatorname{rank}(A_{m\times n})=r,则 AA[Ir000]m×n\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}_{m\times n} 相抵。右者称为 AA相抵标准型

相抵的矩阵有相同的秩,所以 Mm×n(K)M_{m\times n}(K) 被划分成了 1+min{m,n}1+\min\left\{ m,n \right\} 个等价类。

广义逆

对于可逆阵 AA,有 AA1A=AAA^{-1}A = A。对于不可逆的,我们尝试找到替代物 XX 使得 AXA=AAXA=A

这个方程是一定有解的。设 AAs×ns\times n 矩阵。如果 rank(A)=r\operatorname{rank}(A)=r,且 A=P[Ir000]QA=P \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}Q,则 X=Q1[IrBr×(sr)C(nr)×rD(nr)×(sr)]P1X = Q^{-1}\begin{bmatrix} I_r & B_{r\times (s-r)} \\ C_{(n-r)\times r} & D_{(n-r)\times (s-r)} \\\end{bmatrix}P^{-1}B,C,DB,C,D 是任取的。

证明:设 GG 为一个解,则

P[Ir000]QGP[Ir000]Q=P[Ir000]QP\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}QGP \begin{bmatrix} I_r & 0 \\0 & 0 \\\end{bmatrix}Q = P\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}Q

左乘 P1P^{-1},右乘 Q1Q ^{-1},则

[Ir000]QGP[Ir000]=[Ir000]\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}QGP \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}= \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}

QGPQGP 写成分块矩阵的形式,即 QGP=[Hr×rBr×(sr)C(nr)×rD(nr)×(sr)]QGP = \begin{bmatrix} H_{r\times r} & B_{r\times (s-r)} \\ C_{(n-r)\times r} & D_{(n-r)\times (s-r)} \\\end{bmatrix},我们有

[Ir000][HBCD][Ir000]=[Ir000][H000]=[Ir000]\begin{aligned} \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix} \begin{bmatrix} H & B \\ C & D \\\end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}&= \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} H & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix}&=\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \\\end{bmatrix} \end{aligned}

所以 H=IrH = I_r。验证 B,C,DB,C,D 任意取也是成立的并不难。

这样的解 XX 称为 AA一个广义逆矩阵,即为 AA^-

所以其实广义逆是很多的。但是如果 AMs×n(C)A \in M_{s\times n}(\mathbb{C}),则下列方程组

{AXA=AXAX=X(AX)T=AX(XA)T=XA\begin{cases} AXA=A \\ XAX=X\\ \overline{(AX)^T} = AX\\ (\overline{XA})^T = XA \end{cases}

称为 AA 的 Penrose 方程组,其解称为 AAMoore-Penrose 广义逆,记作 A+A^+。前面提到过,这就是一个最好的逆。

  • AA 列满秩,则 A+=(ATA)1ATA^+ = (A^TA)^{-1}A^T
  • AA 行满秩,则 A+=AT(AAT)1A^+ = A^T(AA^T)^{-1}
  • AA 可以分解为 A=BCA=BCBB 列满秩,CC 行满秩,则 A+=C+B+A^+ = C^+B^+

线代 A1 笔记 第 14 部分(等价关系、矩阵的相抵与广义逆)
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Author
YangTY
Posted on
November 30, 2023
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