6.0 统计常用矩阵代数结论汇总

1 秩与维数

  1. rankA=dimμ(A).

  2. n=dimIm(A)+dimKer(A).

  3. rank(AB)=rankBdim(Im(B)Ker(A)).

  4. A 满列秩等价于 Al: AlA=In; A 满行秩等价于 Ar: AAr=Im.

2 子空间

  1. dim(L1+L2)=dimL1+dimL2dim(L1L2).
    • dim(L1L2)=dimL1+dimL2.
  2. L1L2L1+L2=L1L2.
  3. LL.
  4. L1L2L2L1.

3 线性方程的相容

线性方程 Ax=b 相容/有解的充要条件是以下之一:

4 特征值

A 的特征值为 λ1λ2λn.

  1. AT=A, 则 C 正交: CTAC=Λ=diag(λ1,,λn). 这里 cjA 对应于 λj 的单位特征向量; A=j=1nλjcjcjT.

  2. AT=A. 则 λ1=max||x||=1xTAx,λi=max||x||=1,xμ(c1,,ci1)xTAx.

  3. AT=A, Un×p 列正交 (UTU=Ip), 则 maxUTU=Iptr(UTAU)=i=1pλi.

  4. AT=A, 下列命题等价:

    • A 的特征值 λ1λn0.
    • xTAx0, xRn, x0.
    • B: A=BBT. (即 A 非负定, 记为 A0)
  5. A0 !A12=CΛ12CT: A=A12A12. C 见 4.1.

  6. Bn×mBT=Dn×pDT (pm) B=(C0)U, 其中 Um×m 正交.

  7. rank(BBT)=rankB.

5 分快矩阵

剖分 Am×n=(A11A1qAp1Apq),Bn×k=(B11B1rBq1Bqr),AB=C=(C11C1rCp1Cpr), 其中 Cij=l=1qAilBlj.

  1. A=(A11A12A21A22), 其中 Aiipi 阶方阵.

    • 如果 A11 可逆, detA=detA11det(A22A21A111A12).
    • 如果 A22 可逆, detA=detA22det(A11A12A221A21).

    A11 可逆时 (Ip10A21A111Ip2)(A11A12A21A22)(Ip1A111A120Ip2)=(A1100A22A21A111A12).A 可逆时 A1=[(Ip10A21A111Ip2)(A1100A22A21A111A12)(Ip1A111A120Ip2)].

  2. A1=(A11A12A21A22), 有A11=A111+A111A12(A22A21A111A12)1A21A111,A12=A111A12(A22A21A111A12)1,A21=(A22A21A111A12)1A21A111,A22=(A22A21A111A12)1.

  3. A>0. 则 A11A1110, 且 A1(A111000)=(A111A12I)A22(A111A12I)T0.

  4. Am×n, Bn×m, 则 det(λImAB)=λndet(λInBA), 从而 AB,BA 有相同的非零特征值.

6 投影

正投影阵

设线性空间 LRn. 如果 nPL 满足:

  • PLx=x, xL,
  • PLy=0, yL,

PL 是到 L正投影阵.

  1. A 满列秩, Im(A)=L, 则 PL=A(ATA)1AT. 这
    这说明 PL 此时唯一确定. 可以记 PL=PA.

  2. P 是到 Im(P) 的正投影阵的充要条件是以下任一:

    • P 是对称幂等阵.
    • ||xPx||2=mintRn||xPt||2, xRn.
    • P2=P, 且 ||Px||||x||, xRn.
    • U 正交: P=U(Ir000)UT, r=rankP. 记 U=(U1rU2), 得 P=U1U1T, 且 U1TU1=Ir.
    • IP 对称幂等.
  3. PA 是到 Im(A) 的投影阵, 则 IPA 是到 Im(A) 的投影阵, 记为 PAT .

  4. A,Bn 阶对称阵, C=A+B 幂等, 则

    1. A,B 幂等等价于 AB=0.
    2. A 幂等, B0B 幂等.
  5. L1,L2Rn 的线性子空间, 则下列命题等价:

    • L2L1.
    • PL1PL20.
    • PL1PL2=PL2.
    • PL2PL1=PL2.

    且上面任一条件满足时 PL1PL2=PL1L2 是到 L1L2 的正投影阵.