左逆矩阵与右逆矩阵
满足LA=ILA=ILA=I,但不满足AL=IAL=IAL=I的矩阵称为矩阵A的左逆矩阵,类似的,满足AR=IAR=IAR=I,但不满足RA=IRA=IRA=I的矩阵称为右逆矩阵。
定理1:仅当m≥nm \geq nm≥n时,矩阵A∈Cm×nA \in \mathbb{C}^{m \times n}A∈Cm×n才可能有左逆矩阵。
证明:当m≥nm \geq nm≥n时,矩阵AAA可以分块为A=[BC]A= \left[\begin{matrix}B\\C\end{matrix}\right]A=[BC],其中B∈Cn×nB \in \mathbb{C}^{n \times n}B∈Cn×n和C∈C(m−n)×nC \in \mathbb{C}^{(m-n) \times n}C∈C(m−n)×n,令L=[X,Y]L=\left[\begin{matrix}X,Y\end{matrix}\right]L=[X,Y]满足LA=ILA=ILA=I,则XB+YC=IXB+YC=IXB+YC=I,因此只要矩阵XXX和YYY满足XB+YC=IXB+YC=IXB+YC=I,矩阵L=[X,Y]L=\left[\begin{matrix}X,Y\end{matrix}\right]L=[X,Y]就是AAA的左逆矩阵,例如若BBB非奇异,则去X=B−1X=B^{-1}X=B−1和Y=OY=OY=O即可。
对于m<nm < nm<n,可将矩阵AAA分块为[B,C]\left[\begin{matrix}B,C\end{matrix}\right][B,C],其中B∈Cm×mB \in \mathbb{C}^{m \times m}B∈Cm×m和C∈Cm×n−mC \in \mathbb{C}^{m \times {n-m}}C∈Cm×n−m,LLL分块为[XY]\left[\begin{matrix}X\\Y\end{matrix}\right][XY],假定LLL是AAA的左逆矩阵,则
LA=[XY][B,C]=[XBXCYBYC]=In×n=[Im×mOm×(n−m)O(n−m)×mI(n−m)×(n−m)]
LA=\left[\begin{matrix}X\\Y\end{matrix}\right]\left[\begin{matrix}B,C\end{matrix}\right]=\left[\begin{matrix}XB&XC\\YB&YC\end{matrix}\right]=I^{n \times n}=\left[\begin{matrix}I_{m \times m}&O_{m \times (n-m)}\\O_{(n-m) \times m}&I_{(n-m) \times (n-m)}\end{matrix}\right]
LA=[XY][B,C]=[XBYBXCYC]=In×n=[Im×mO(n−m)×mOm×(n−m)I(n−m)×(n−m)]
既有
(1)XB=Im×mXB=I_{m \times m}\tag{1}XB=Im×m(1)
(2)XC=Om×(n−m)XC=O_{m \times (n-m)}\tag{2}XC=Om×(n−m)(2)
(3)YB=O(n−m)×mYB=O_{(n-m) \times m}\tag{3}YB=O(n−m)×m(3)
(4)YC=I(n−m)×(n−m)YC=I_{(n-m) \times (n-m)}\tag{4}YC=I(n−m)×(n−m)(4)
若BBB非奇异,则X=B−1X=B^{-1}X=B−1,代入式(2)可得C=Om×(n−m)C=O_{m \times (n-m)}C=Om×(n−m),则YC=O(n−m)×(n−m)YC=O_{(n-m) \times (n-m)}YC=O(n−m)×(n−m),与式(4)矛盾,即LLL是AAA的左逆矩阵这一假设矛盾。
定理2:仅当m≤nm \leq nm≤n时,矩阵A∈Cm×nA \in \mathbb{C}^{m \times n}A∈Cm×n才可能有右逆矩阵。
证明与定理1类似。
作为定理1和定理2的特例,矩阵A∈Cm×mA \in \mathbb{C}^{m \times m}A∈Cm×m可能既有左逆矩阵又有右逆矩阵,逆矩阵便是既满足左逆矩阵又满足右逆矩阵,且左逆矩阵和右逆矩阵相等的特殊矩阵。
对给定矩阵A∈Cm×nA \in \mathbb{C}^{m \times n}A∈Cm×n,当m>nm>nm>n时,AAA可能有多个左逆矩阵,当m<nm<nm<n时AAA可能有多个右逆矩阵,那么什么情况下左逆矩阵或右逆矩阵唯一呢?如下讨论。
当m>nm>nm>n且矩阵AAA具有满列秩时(Rank(A)=nRank(A)=nRank(A)=n),此时n×nn \times nn×n矩阵AHAA^HAAHA是可逆的,显然
L=(AHA)−1AH
L=(A^HA)^{-1}A^H
L=(AHA)−1AH
满足左逆矩阵的定义。这种左逆矩阵是唯一的,常称为左伪逆矩阵。
同理当m<nm<nm<n且矩阵AAA具有满行秩时(Rank(A)=mRank(A)=mRank(A)=m),此时m×mm \times mm×m矩阵AAHAA^HAAH是可逆的,显然
R=AH(AAH)−1
R=A^H(AA^H)^{-1}
R=AH(AAH)−1
满足右逆矩阵的定义。这种右逆矩阵是唯一的,常称为右伪逆矩阵。