Lecture 4:矩阵的定义及其基本运算
考研数学学习笔记:Lecture 4:矩阵的定义及其基本运算。保留原始公式、图示与例题。
本页目录
4.1 矩阵的本质
4.1.1 矩阵概念
引入:矩阵的作用 -> 表达系统信息;
- 核心:任何一个矩阵,最后都可以用基向量来表示,矩阵中的信息都是可以用基向量表达出来的;
概念:什么是矩阵
- 概念:
- 列:
- 代表变换的基向量的个数;
- 行:
- 代表变换后空间的维数;
- 意义:
- 从线性变换的角度,假设现在有一个三维方阵矩阵 $A_{3*3}$,此时 A 矩阵的三个列就代表了:在进行线性变换
Ax=b当中,对三个基向量的变换; - 举例:如果当前是
3*2的矩阵,即当前矩阵有三行、两列; - 两列:也就是有两个基向量,也就是一个二维的平面;
- 三行:代表这两个基向量有
[x,y,z]这三个维度; - 乘以三行两列,也就代表:
- 将两个基向量映射到三维的空间中,因此变换构成了三维空间中的二维平面;
- 当出现
32的矩阵 $A_{32}$ 时,其表示将一个二维的图形映射到三维的空间中;因为 A 有两个基向量,并且这两个基向量现在是三维的[x,y,z]; - 举例: 如果当前是
2*3的矩阵,即当前矩阵有两行、三列 - 当出现
23的矩阵 $A_{32}$ 时,其表示将一个三维的图形映射到二维的空间中;因为 A 有三个基向量,并且这三个基向量现在是二维的[x,y]基向量;
概念:矩阵和行列式分别的乘积
- 矩阵:表示系统信息的乘积,作用在每一个系统信息上
- $$\left.k\cdot A=\left(\begin{matrix}ka_{11}&ka_{12}\\ka_{21}&ka_{22}\end{matrix}\right.\right)$$
- 行列式:表示对一个测度(比如一个平行四边形的某个维度)进行乘积
- $$k|A|=\left|\begin{matrix}ka_{11}&ka_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{matrix}\right|$$
- 公式:
- $$|kA|=k^{n}\cdot|A|$$
概念:矩阵信息表达中、数据和数据之间的关系
- 引入:
- 矩阵不一定是方形的,可能是
10002或者21000; Gram矩阵- 对于 $A=(\begin{matrix}a\\b\end{matrix})$ ,$A^T=(a\quad b)$ $A^{T}A=(ab)(\begin{matrix}a\\b\end{matrix})=\alpha^{T}\cdot\alpha=||\alpha||^{2}=||\alpha||^{2}*\cos 0$
- 作用:
- 如果只是给了你一个 $A=(\alpha_1\quad \alpha_2)$ 的矩阵,其实并不知道其中 $\alpha_1\quad \alpha_2$ 之间的关系;但是可以通过将 $A$ 乘以其转置矩阵的方式,得到其中更多的信息:
- $$A^{T}A=\left(\begin{matrix}\alpha_{1}^{T}\\\alpha_{2}^{T}\end{matrix}\right)\left(\alpha_{1}\alpha_{2}\right)=\left.k\cdot A=\left(\begin{matrix}||\alpha_1||||\alpha_1||\cos \theta_{11}&||\alpha_1||||\alpha_2||\cos \theta_{12}\\||\alpha_2||||\alpha_1||\cos \theta_{21}&||\alpha_2||||\alpha_2||\cos \theta_{22}\end{matrix}\right.\right)$$
- 在这里面可以得到数据之间的相似度;
- 概念:
- 矩阵不能运算,但是其若干行 (列) 向量之间可能存在着某种关系
重要观点 1:矩阵也是由若干行 (列) 向量拼成的
- 上面那个矩阵可以看作由三个行向量:$[1,2,3],[4,6,9],[2,4,6]$ 组成,也可以看作是三个列向量组成:$[1,6,2]^{\mathrm{T}},[2,7,4]^{\mathrm{T}}与[3,9,6]^{\mathrm{T}}$
定义: #矩阵的秩
<font color="#ccc1d9">描述:设 $A$ 是 $m*n$ 矩阵,$A$ 中最高阶非零子式的阶数称为矩阵的秩,记为 $r(A)$
也可以这样定义:若存在 $k$ 阶子式不为零,而任意 $k+1$ 阶子式 (如果有的话) 全为零,则 $r(A)=k$,且:
$$r\left(A_{n\times n}\right)=n\Leftrightarrow\left|A\right|\neq0\Leftrightarrow A\text{可逆}$$
即:矩阵秩的本质,就是组成该矩阵的线性无关的向量的个数
概念
- 解释:
- 如果一个向量,可以找到其基准向量、其所有内容可以使用基准向量表示出来;
- 基准向量当中成员的个数,就是矩阵的秩;
- 意义:
- 比如秩为 1:
- 这个矩阵所形成的一个世界是一维的;
- 一维不仅是一个
x轴;
4.1.2 矩阵和行列式区别
1、行列式的本质是线性变换的放大率,而矩阵的本质就是个数表。
2、行列式行数=列数,矩阵不一定(行数列数都等于n的叫n阶方阵),二者的表示方式亦有区别。
3、行列式与矩阵的运算明显不同
(1) 相等:只有两个同型的矩阵才有可能相等,并且要求对应元素都相等;而两个行列式相等不要求其对应元素都相等,甚至阶数还可以不一样,只要两个行列式作为两个数的值是相等即可。
(2)加(减)法:两个矩阵相加(减)是将其对应元素相加(减),因此只有同型的矩阵才可以相加(减);而两行列式作为两个数总是可以相加(减)的。
(3) 数乘运算:一个数乘以矩阵是指该数乘以矩阵的每一个元素;而数乘行列式,只能用此数乘行列式的某一行或列,提取公因数也是如此。
(4) 乘法:矩阵的乘法不满足交换律,所以,一般地, AB≠BA。但是,如果 A与 B 都是 n 阶方阵,则有 |AB|=|A| |B|=|B| |A|=|BA|。
4.2 矩阵的定义
定义: #矩阵
<font color="#ccc1d9">描述: $\text{由}m\times n\text{ 个数}a_{ij}(i=1,2,\cdots,m;j=1,2,\cdots,n)\text{排成的}m\text{行}n\text{列的矩形表格}$:
$$\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\a_{m1}&a_{m2}&\cdots&a_{mn}\end{bmatrix}$$
其称为一个 $m\times n$ 矩阵,简记为 $A$ 或 $\left(a_{ij}\right)_{m\times n}\left(i=1,2,\cdotp\cdotp\cdotp,m;\: j=1,2,\cdotp\cdotp\cdotp,n\right).$
当 $m=n$ 时,称 $A$ 为 $n$ 阶方阵;
两个矩阵 $A=\left(a_ij\right)_{mxn},\boldsymbol{B}=\left(b_{ij}\right)_{sxk}$,若 $m=s,n=k$,则称 $A$ 与 $\boldsymbol B$ 为同型矩阵.
解释
- 补充:为什么要研究方阵
- 实际情况中,使用矩阵时经常需要使用到非方阵,经常不是方形;
- 但如果要使用逆矩阵等性质时,又必须要基于方阵来求;
- 所以就需要经常使用 $AA^T$ 来得到非方阵矩阵的方阵形式;
- 同型矩阵:
A和B的行和列数量相等;
4.3 矩阵运算
分析:如何计算矩阵
- 1. 先看其是不是
秩 1 矩阵 - 2. 如果不是
秩 1 矩阵,此时可以考虑试算一下其平方或三次方; - 举例:$\left(\begin{matrix}0&-1\\1&0\end{matrix}\right)^4=\left(\begin{matrix}1&0\\0&1\end{matrix}\right)$ 即单位阵
<-经过四次运作,变成了单位阵; - 3. 如果按照矩阵可以分成合的分解,可以将矩阵进行分解
4.3.1 矩阵基本运算
运算:相等
- $$A=(a_ij)_{m\times n}=B=(b_i)_{s\times k}\Leftrightarrow m=_S,n=k$$
- 且 $a_{ij}=b_j(i=1,2,\cdots,m;j=1,2,\cdots,n)$,即 $A,B$ 是同型矩阵,且对应元素相等.
运算:加法
- 两个矩阵是同型矩阵时,可以相加,即:
- $$C=A+B=\left(a_{ij}\right)_{m\times n}+\left(b_{ij}\right)_{m\times n}=\left(c_{ij}\right)_{m\times n}$$
- $\text{其中,}c_{ij}=a_{ij}+b_{ij}(i=1,2,\cdots,m;j=1,2,\cdots,n),\text{ 即对应元素相加}$
运算:数乘
- 每一个元素都需要乘;
- $$\begin{aligned}kA=Ak=&k\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\a_{m1}&a_{m2}&\cdots&a_{mn}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}ka_{11}&ka_{12}&\cdots&ka_{1n}\\ka_{21}&ka_{22}&\cdots&ka_{2n}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\ka_{m1}&ka_{m2}&\cdots&ka_{mn}\end{bmatrix}\\&=\left(ka_{ij}\right)_{m\times n}\end{aligned}$$
运算:运算律 - 数乘/加具有交换律、结合律、分配律
- $交换律:A+B=B+A;$
- $结合律:\left(A+B\right)+C=A+\left(B+C\right);$
- $分配律:k\left(A+B\right)=kA+kB,\left(k+l\right)A=kA+lA$
- $数和矩阵相乘的结合律:k\left(lA\right)=\left(kl\right)A=l\left(kA\right).$
其中,A,B,C 是同型矩阵,k, l 是任意常数
4.3.2 矩阵乘法运算
定理: #矩阵乘法
<font color="#8db3e2"><font color="#c6d9f0">描述:矩阵的乘法设 $A$ 是 $m\times s$ 矩阵,$B$ 是 $s\times n$ 矩阵 (矩阵 $A$ 的列数必须与矩阵 $B$ 的行数相等 ), 则 $A$ , $B$ 可以相乘,乘积 $AB$ 是 $m\times n$ 矩阵,记 $C=AB=(c_ij)_{m\times n}$
$C$ 的第 $i$ 行第 $j$ 列元素 $c_{ij}$ 是 $A$ 的第 $i$ 行的 s 个元素与 $B$ 的第 $j$ 列的 $s$ 个对应元素两两乘积之和,即:
$$c_{ij}=\sum_{k=1}^{s}a_{ik}b_{kj}=a_{i1}b_{1j}+a_{i2}b_{2j}+\cdots+a_{is}b_{sj}(i=1,2,\cdots,m;j=1,2,\cdots,n)$$
解释
- 本质:
- 两个矩阵相乘,实际上体现了一种运算:左边矩阵的每一行,乘以右边矩阵的每一列,而且每一行乘以每一列都是向量的内积(点积运算)
- 内积的结果,可以体现两个向量的大小,还可以体现两个向量的夹角的余弦;
- 计算:
- 核心:左边的决定行,右边的决定列;
- 是一种多行乘多列的类型,需要将 A 矩阵中的每一列乘以 B 中的每一行;
- 因为是以
A的列中每个乘以B中行的每个,因此A的列数需要和B的行数相等; - 即:矩阵的乘法得到的结果中的每个元素,都是内积的结果;
- $$\left(\alpha_{1}\alpha_{2}\right)^{T}\left(\alpha_{1}\alpha_{2}\right)=\left(\begin{matrix}\alpha_{1}^{T}\\\alpha_{2}^{T}\end{matrix}\right)\left(\alpha_{1}\alpha_{2}\right)=\left.\left(\begin{matrix}(\alpha_{1},\alpha_{1})&(\alpha_{1},\alpha_{2})\\(\alpha_{2},\alpha_{1})&(\alpha_{2},\alpha_{2})\end{matrix}\right.\right)$$
- 举例:
- 1. 多行乘多列:$\begin{pmatrix}a_{1}\\a_{2}\\a_{3}\end{pmatrix}(b_{1}b_{2}b_{3})=\begin{pmatrix}a_{1}b_{1}&a_{1}b_{2}&a_{1}b_{3}\\a_{2}b_{1}&a_{2}b_{2}&a_{2}b_{3}\\a_{3}b_{1}&a_{3}b_{2}&a_{3}b_{3}\end{pmatrix}$
运算:乘法运算的运算律
- 运算律:
- 1. 结合律:满足
- 2. 分配律:满足
- 3. 数乘与矩阵乘积的结合律
->$(kA_{m\times s})B_{s\times n}=A_{m\times s}(kB_{s\times n})=k(A_{m\times s}B_{s\times n})$ - 不能用的:不满足交换律、不能使用消去律
- 1. 矩阵的乘法一般情况下不满足交换律,即
AB≠BA - 比如:
ABC和BAC是不一定相等的; - 2. $存在A\neq O,B\neq O,而AB=O的情况,故AB=O\nRightarrow A=O或B=O$
- 3. $AB=AC\Rightarrow A(B-C)=O,此时即使有A\neq O,一般也得不出B=C$
运算:乘法运算的其他规律
- (1)$\begin{aligned}&(A+B)^2=(A+B)(A+B)=A^2+AB+BA+B^2\neq A^2+2AB+B^2,\\&(A-B)^2=A^2-AB-BA+B^2\neq A^2-2AB+B^2,\end{aligned}$
- (2)$\begin{aligned}&(A+B)(A-B)=A^{2}+BA-AB-B^{2}\neq A^{2}-B^{2},\\&(AB)^{m}=\overbrace{(AB)(AB)\cdots(AB)}^{m\uparrow}\neq A^{m}B^{m}.\end{aligned}$
- (3)重要:
A的多项式 - $若f\left(x\right)=a_{0}+a_{1}x+\cdotp\cdotp\cdotp+a_{m}x^{m},\text{则}:f(A)=a_0E+a_1A+\cdots+a_mA^m$
4.3.3 转置矩阵
定义: #转置矩阵
<font color="#ccc1d9">描述: $\text{将 }m\times n\text{ 矩阵 }A=\left(a_{ij}\right)_{m\times n}\text{的行与列互换得到的}n\times m\text{矩阵,称为矩阵 }A\text{ 的转置矩阵},记为A^T,即:$
$$A^{T}=\begin{bmatrix}a_{11}&a_{21}&\cdots&a_{m1}\\a_{12}&a_{22}&\cdots&a_{m2}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\a_{1n}&a_{2n}&\cdots&a_{mn}\end{bmatrix}$$
解释
- 第
n行写到第n列; - $A^{T}A$:
- $$\left.A^{T}A=\left(\begin{matrix}a_{11}&a_{21}\\a_{12}&a_{22}\\a_{13}&a_{23}\end{matrix}\right.\right)_{3{2}}\left(\begin{matrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{22}&a_{12}&a_{23}\end{matrix}\right)_{{2}{3}}$$
- 假设 $\alpha_1=({a_{11},a_{21}})$ ,其他其次类推,则得到:
- $$\left.\left(\begin{matrix}(\alpha_{1},\alpha_{1})&(\alpha_{1},\alpha_{2})&(\alpha_{1},\alpha_{3})\\(\alpha_{2},\alpha_{1})&(\alpha_{2},\alpha_{2})&(\alpha_{2},\alpha_{3})\\(\alpha_{3},\alpha_{1})&(\alpha_{3},\alpha_{2})&(\alpha_{3},\alpha_{3})\end{matrix}\right.\right)$$
- 这是一个格拉姆矩阵
->$A^{T}A$
运算:转置矩阵的运算律
- $${(1)}\left(A^{\mathrm{T}}\right)^{\mathrm{T}}=A;\quad{(2)}\left(kA\right)^{\mathrm{T}}=kA^{\mathrm{T}};\quad{(3)}\left(A+B\right)^{\mathrm{T}}=A^{\mathrm{T}}+B^{\mathrm{T}};\quad{(4)}\left(AB\right)^{\mathrm{T}}=B^{\mathrm{T}}A^{\mathrm{T}}$$
- 重要:穿脱原则
- $(AB)^{\mathrm{T}}=B^{\mathrm{T}}A^{\mathrm{T}}$
- 从左到右乘,等于从右到左写:$\left(ABC\right)^{T}=C^{T}B^{T}A^{T}$
4.3.4 方阵的行列式
定义: #方阵的行列式
<font color="#ccc1d9">描述: $\text{当用}n\text{ 阶方阵}A\text{ 计算行列式时,记成}|A|$;
1. $|kA|=k^{n}|A|\neq k|A|(n\geqslant2,k\neq0,1)$
2. $\text{一般地,}\left|A+B\right|\neq\left|A\right|+\left|B\right|$
3. 注意:$A\neq0\Rightarrow|A|\neq0$
4. $A\neq B\Rightarrow\left|A\right|\neq\left|B\right|$
5. $\left|A^{\mathrm{T}}\right|=\left|A\right|$
6. $\text{设}A,B\text{是同阶方阵,则}|AB|=|A||B|$
4.4 几种重要矩阵
4.4.1 基本矩阵形式
矩阵一:零矩阵
- 定义:每个元素均为零的矩阵,记为 $O$
矩阵二:单位矩阵
- 定义:
- 主对角线元素均为
1, 其余元素全为零的n阶方阵, 称为n阶单位矩阵,记成 $E$ 或 $I$ - 注意:
E的写法 - 如果是 $A_{32}$ 与 $B_{23}$
- 此时:若要计算
E-AB - 则 $E$ 要写成 $E_{3}$
- 此时:若要计算
E-BA - 则 $E$ 要写成 $E_{2}$
矩阵三:数量矩阵
- 定义:
- 数
k和单位矩阵的乘积称为数量矩阵 - 公式:
- $k\cdot E_{n}=\left.\left(\begin{matrix}k&\\&k&\\&&k\end{matrix}\right.\right)$
- 特征:
- 数量矩阵和任何的矩阵相乘都是可以交换的:$k\cdot E\cdot A=A\cdot kE$
矩阵四:(重点) 对角矩阵
- 定义:
- 非主对角线元素均为零的矩阵称为对角矩阵;
- 即:主对角线之外的元素皆为
0的矩阵 - 这是矩阵的最简形式,大量的矩阵不能化成这个矩阵;
- 公式:
- $A=\begin{pmatrix}\lambda_1&&&\\&\lambda_2&&\\&&\ddots&\\&&&\lambda_n\end{pmatrix}$
矩阵五:上(下)三角矩阵
- 定义:
- 当 $i>j$ 或 $i<j$ 是,$a_{ij}=0$ 的矩阵称之为上三角矩阵或者下三角矩阵;
矩阵六:(重要) 对称矩阵
- 定义:
- $$\text{满足条件}A^\mathrm{T}=A\text{ 的矩阵}A\text{称为对称矩阵,}A^\mathrm{T}=A\Leftrightarrow a_{ij}=a_{ji}$$
- 概念:
- 如果一个矩阵转置之后还是它自己,则称其为对称矩阵;
- 对称阵天生性质很多,适合进行数学上的分析;
- 举例:
- $$\left(\begin{matrix}1&-2&1\\-2&0&3\\1&3&-1\end{matrix}\right)$$
- 结论:
- $\left(A^{T}A\right)^{T}=A^{T}\left(A^{T}\right)^{T}=A^{T}A$
- 所以:$A^{T}A$ 必定是一个对称矩阵。可以使用对称矩阵的形式;
矩阵七:反对称矩阵
- 定义:
- 满足 $A^T=-A$ 的矩阵 $A$ 称之为反对称矩阵;
- 公式:
- $A^{\mathrm{T}}=-A\Leftrightarrow\begin{cases}a_{ij}=-a_{ji},i\neq j,\\a_{ii}=0.\end{cases}$
- 概念:
- 反对称阵的主对角线一定都是零;
- 举例:
- $\begin{pmatrix}0&-2&1\\2&0&3\\-1&-3&0\end{pmatrix}$
矩阵八:行矩阵
- 只有一行元素的矩阵,也称行向量;
- 实际上就是一行多列;
矩阵九:列矩阵
- 只有一列元素的矩阵,也称列向量;
- 实际上就是多行一列;
- 补充:
- 一般写向量,一般都是写成列向量;
- 需要把向量写成转置,才能使行向量;
- 补充:$\alpha^T\alpha$ 和 $\alpha\alpha^T$
- $\alpha^T\alpha$ :
1n和n1相乘->得到1*1 - $\alpha\alpha^T$:
n1和1n相乘->得到n*n
补充:秩 1 方阵
- 举例:
- 已知 $\left(\begin{matrix}-1&-1&2\\2&2&-4\\1&1&-2\end{matrix}\right)$ 要找回到 $\left(\begin{matrix}-1\\2\\1\end{matrix}\right)\left(1\quad 1\quad -2\right)$,此时必须要其数值成比例;
- 这种矩阵就是秩
1矩阵; - 这个矩阵当中,另外两个向量都可以由
(1.1,-2)这个向量乘以2和-1表示出来->即:其基准向量是一个; - 所以其是三维向量当中的一个子空间;
- 注意:
- 并不是秩为 1 的矩阵就是秩 1 矩阵;
- 性质:
- 对于秩 1 方阵 A,其 $A^n=[tr(A)]^{n-1}$
- 比如: $A^3B=AAAB=[tr(A)]^2AB$
补充:矩阵的迹
- 概念:
- 矩阵的主对角线之和,称之为矩阵的迹;
- 符号:
tr
4.4.2 分块矩阵
概念:矩阵的分块
- 概念:
- 用几条纵线和横线把一个矩阵分成若干小块,每一小块称为原矩阵的子块;
- 把子块看作原矩阵的一个元素,就得到了分块矩阵;
- 分块可以体现矩阵里面的一些规律,此时就可以利用这些分块、简化计算;
- 比如:$C=\left(\begin{matrix}A&O\\O&B\end{matrix}\right)$
- 按
A进行按行分块: - $$A=\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\\hline a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\\hline a_{m1}&a_{m2}&\cdots&a_{mn}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}A_1\\A_2\\\vdots\\A_m\end{bmatrix}$$
- 按
B进行按列分块: - $$B=\begin{bmatrix}b_{11}&b_{12}&\cdots&b_{1n}\\b_{21}&b_{22}&\cdots&b_{2n}\\\vdots&\vdots&&\vdots\\b_{m1}&b_{m2}&\cdots&b_{mn}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}B_1,B_2,\cdots,B_n\end{bmatrix}$$
运算:分块矩阵的基本运算(以 2*2 举例)
- 加法:$\text{同型,且分法一致,则}\begin{bmatrix}A_1&A_2\\A_3&A_4\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}B_1&B_2\\B_3&B_4\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}A_1+B_1&A_2+B_2\\A_3+B_3&A_4+B_4\end{bmatrix}$
- 注意:两个矩阵的切法必须一致,此时就等于每个元素对应相加;
- 数乘:$k\begin{bmatrix}A&B\\C&D\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}kA&kB\\kC&kD\end{bmatrix}$
- 乘法:$\begin{bmatrix}A&B\\C&D\end{bmatrix}\begin{bmatrix}X&Y\\Z&W\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}AX+BZ&AY+BW\\CX+DZ&CY+DW\end{bmatrix},\text{要可乘、可加}$
- 概念:
- 分块之后,将其当元素看,相当于两个
2*2的矩阵相乘; - 注意:
- 因为是矩阵运算,没有交换律,因此得到的结果,比如 $AX+BZ$,其顺序不能变化,不能写成 $XA+BZ$
- 注意:
- 对于乘法的运算要注意,分块相乘后,左边的矩阵仍在左边,右边的矩阵仍在右边;
- 若 A, B 分别为
m, n阶方阵,则分块对角矩阵的幂为; - 补充:
- $\begin{bmatrix}A&O\\O&B\end{bmatrix}^n=\begin{bmatrix}A^n&O\\O&B^n\end{bmatrix}$
4.5 矩阵的复合变换
举例:矩阵的复合变换
- 概念:
- 矩阵需要从右往左读,因为函数写在变量左侧:
f(g(x)) - 举例:
