1. 求下列矩阵的满秩分解
13051214112311231−36−1
解:
给定矩阵:
A=13051214112311231−36−1
我们将使用高斯消元法进行满秩分解。以下是具体步骤:
- 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:
10001−11−11−22−21−22−21−66−6
- 第二步,将第三行加上第二行,将第四行加上第二行:
10001−1001−2001−2001−600
- 第三步,将第一行加上第二行,将第二行乘以 −1,化为行最简形矩阵:
10000100−1200−1200−5600
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=13051214(1001−12−12−56)
2. 证明:设 n 元列向量 X=0,A=In−∥X∥22XXH,则 AHA=In=A2.
要证明 AHA=In,我们首先计算 AH,其中 (⋅)H 表示矩阵的共轭转置。由于 A=In−∥X∥22XXH,我们有:
AH=(In−∥X∥22XXH)H
由于 In 是对称矩阵,而 (⋅)H 表示共轭转置,我们可以将其应用到每个矩阵项上:
AH=InH−∥X∥22(XXH)H
由于 InH=In 和 (XXH)H=(XH)HXH=XXH,我们可以化简上述表达式为:
AH=In−∥X∥22XXH=A
即 AHA=A2 成立。
现在,我们可以计算 AHA:
AHA=(In−∥X∥22XXH)(In−∥X∥22XXH)
展开上述表达式并进行简化:
AHA=InIn−In∥X∥22XXH−∥X∥22XXHIn+∥X∥44(XXH)(XXH)
由于 In 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=In−∥X∥22XXH−∥X∥22XXH+∥X∥44(XXH)(XXH)=In−∥X∥24XXH+∥X∥44X(XHX)XH=In−∥X∥24XXH+∥X∥44∥X∥2XXH=In−∥X∥24XXH+∥X∥24XXH=In
因此,我们证明了 AHA=A2=In。