6.0 统计常用矩阵代数结论汇总

1 秩与维数

  1. rankA=dim⁡μ(A).

  2. n=dim⁡Im(A)+dim⁡Ker(A).

  3. rank(AB)=rankB−dim⁡(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)=dim⁡L1+dim⁡L2−dim⁡(L1∩L2).
    • dim⁡(L1⊕L2)=dim⁡L1+dim⁡L2.
  2. L1⊥L2⇒L1+L2=L1⊕L2.
  3. L⊥L⊥.
  4. L1⊂L2⟺L2⊥⊂L1⊥.

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

设 A 的特征值为 λ1≥λ2≥⋯≥λn.

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

  2. 设 AT=A. 则 λ1=max||x||=1xTAx,λi=max||x||=1,x⊥μ(c1,⋯,ci−1)xTAx.

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

  4. 设 AT=A, 下列命题等价:

    • A 的特征值 λ1≥⋯≥λn≥0.
    • xTAx≥0, ∀x∈Rn, x≠0.
    • ∃B: A=BBT. (即 A 非负定, 记为 A≥0)
  5. A≥0⇒ ∃!A12=CΛ12CT: A=A12A12. C 见 4.1.

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

  7. rank(BBT)=rankB.

5 分快矩阵

剖分 Am×n=(A11⋯A1q⋮⋮Ap1⋯Apq),Bn×k=(B11⋯B1r⋮⋮Bq1⋯Bqr), 且 AB=C=(C11⋯C1r⋮⋮Cp1⋯Cpr), 其中 Cij=∑l=1qAilBlj.

  1. 设 A=(A11A12A21A22), 其中 Aii 是 pi 阶方阵.

    • 如果 A11 可逆, detA=detA11⋅det(A22−A21A11−1A12).
    • 如果 A22 可逆, detA=detA22⋅det(A11−A12A22−1A21).

    A11 可逆时 (Ip10−A21A11−1Ip2)(A11A12A21A22)(Ip1−A11−1A120Ip2)=(A1100A22−A21A11−1A12). 故 A 可逆时 A−1=[(Ip10A21A11−1Ip2)(A1100A22−A21A11−1A12)(Ip1A11−1A120Ip2)].

  2. 记 A−1=(A11A12A21A22), 有A11=A11−1+A11−1A12(A22−A21A11−1A12)−1A21A11−1,A12=−A11−1A12(A22−A21A11−1A12)−1,A21=−(A22−A21A11−1A12)−1A21A11−1,A22=(A22−A21A11−1A12)−1.

  3. 设 A>0. 则 A11−A11−1≥0, 且 A−1−(A11−1000)=(−A11−1A12I)A22(−A11−1A12I)T≥0.

  4. Am×n, Bn×m, 则 det(λIm−AB)=λ−ndet(λIn−BA), 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 L⊂Rn. 如果 n 阶 PL 满足:

  • PLx=x, ∀x∈L,
  • PLy=0, ∀y∈L⊥,

则 PL 是到 L 的正投影阵.

  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.
    • ||x−Px||2=mint∈Rn||x−Pt||2, ∀x∈Rn.
    • P2=P, 且 ||Px||≤||x||, ∀x∈Rn.
    • ∃U 正交: P=U(Ir000)UT, r=rankP. 记 U=(U1rU2), 得 P=U1U1T, 且 U1TU1=Ir.
    • I−P 对称幂等.
  3. PA 是到 Im(A) 的投影阵, 则 I−PA 是到 Im⊥(A) 的投影阵, 记为 PAT .

  4. A,B 为 n 阶对称阵, C=A+B 幂等, 则

    1. A,B 幂等等价于 AB=0.
    2. A 幂等, B≥0⇒B 幂等.
  5. L1,L2 是 Rn 的线性子空间, 则下列命题等价:

    • L2⊂L1.
    • PL1−PL2≥0.
    • PL1PL2=PL2.
    • PL2PL1=PL2.

    且上面任一条件满足时 PL1−PL2=PL1∩L2⊥ 是到 L1∩L2⊥ 的正投影阵.