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Matrix Theory - hw2

1. 求下列矩阵的满秩分解

(11111321130122654331)\begin{align*} \begin{pmatrix} 1&1&1&1&1\\ 3&2&1&1&-3\\ 0&1&2&2&6\\ 5&4&3&3&-1 \end{pmatrix} \end{align*}

解:

给定矩阵:

A=(11111321130122654331)A = \begin{pmatrix} 1&1&1&1&1\\ 3&2&1&1&-3\\ 0&1&2&2&6\\ 5&4&3&3&-1 \end{pmatrix}

我们将使用高斯消元法进行满秩分解。以下是具体步骤:

  1. 第一步,将第二行减去 3 倍的第一行,将第四行减去 5 倍的第一行:
(11111012260122601226)\begin{pmatrix} 1&1&1&1&1\\ 0&-1&-2&-2&-6\\ 0&1&2&2&6\\ 0&-1&-2&-2&-6 \end{pmatrix}
  1. 第二步,将第三行加上第二行,将第四行加上第二行:
(11111012260000000000)\begin{pmatrix} 1&1&1&1&1\\ 0&-1&-2&-2&-6\\ 0&0&0&0&0\\ 0&0&0&0&0 \end{pmatrix}
  1. 第三步,将第一行加上第二行,将第二行乘以 1-1,化为行最简形矩阵:
(10115012260000000000)\begin{pmatrix} 1&0&-1&-1&-5\\ 0&1&2&2&6\\ 0&0&0&0&0\\ 0&0&0&0&0 \end{pmatrix}

现在,我们可以看到矩阵的第三行和第四行全为零。这意味着矩阵的秩为 2。注意到第一行和第二行是非零行,因此我们可以选择它们作为矩阵的满秩分解。则有:

A=RU=(11320154)(1011501226)A = RU = \begin{pmatrix} 1&1\\ 3&2\\ 0&1\\ 5&4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1&0&-1&-1&-5\\ 0&1&2&2&6 \end{pmatrix}

2. 证明:设 nn 元列向量 X0X\not=0A=In2XXHX2A=I_n-\frac{2XX^H}{\Vert X \Vert ^2},则 AHA=In=A2A^HA=I_n=A^2.

要证明 AHA=InA^HA = I_n,我们首先计算 AHA^H,其中 ()H(\cdot)^H 表示矩阵的共轭转置。由于 A=In2XXHX2A = I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2},我们有:

AH=(In2XXHX2)HA^H = \left( I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} \right)^H

由于 InI_n 是对称矩阵,而 ()H(\cdot)^H 表示共轭转置,我们可以将其应用到每个矩阵项上:

AH=InH2(XXH)HX2A^H = I_n^H - \frac{2(XX^H)^H}{\Vert X\Vert ^2}

由于 InH=InI_n^H = I_n(XXH)H=(XH)HXH=XXH(XX^H)^H = (X^H)^HX^H = XX^H,我们可以化简上述表达式为:

AH=In2XXHX2=AA^H = I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2}=A

AHA=A2A^HA=A^2 成立。

现在,我们可以计算 AHAA^HA

AHA=(In2XXHX2)(In2XXHX2)A^HA = \left( I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} \right) \left( I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} \right)

展开上述表达式并进行简化:

AHA=InInIn2XXHX22XXHX2In+4(XXH)(XXH)X4A^HA = I_nI_n - I_n\frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2}I_n + \frac{4(XX^H)(XX^H)}{\Vert X\Vert ^4}

由于 InI_n 是单位矩阵,且矩阵乘法满足结合律和分配律,我们可以进一步简化上述表达式:

AHA=In2XXHX22XXHX2+4(XXH)(XXH)X4=In4XXHX2+4X(XHX)XHX4=In4XXHX2+4X2XXHX4=In4XXHX2+4XXHX2=In\begin{align*} A^HA &= I_n - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} - \frac{2XX^H}{\Vert X\Vert ^2} + \frac{4(XX^H)(XX^H)}{\Vert X\Vert ^4}\\ &= I_n - \frac{4XX^H}{\Vert X\Vert ^2} + \frac{4X(X^HX)X^H}{\Vert X\Vert ^4}\\ &= I_n - \frac{4XX^H}{\Vert X\Vert ^2} + \frac{4\Vert X\Vert ^2XX^H}{\Vert X\Vert ^4}\\ &= I_n - \frac{4XX^H}{\Vert X\Vert ^2} + \frac{4XX^H}{\Vert X\Vert ^2}\\ &= I_n \end{align*}

因此,我们证明了 AHA=A2=InA^HA = A^2 = I_n