1. A = LU
之前在消元的过程中,我们看到可以将矩阵 AAA 变成一个上三角矩阵 UUU,UUU 的对角线上就是主元。下面我们将这个过程反过来,通一个下三角矩阵 LLL 我们可以从 UUU 得到 AAA, LLL 中的元素也就是乘数 lijl_{ij}lij。
如果有一个 3*3 的矩阵,假设不需要进行行交换,那我们需要三个消元矩阵 E21,E31,E32E_{21}, E_{31}, E_{32}E21,E31,E32 来分别使矩阵 AAA 的 (2, 1)、(3, 1) 和 (3, 2) 位置为零,然后我们就有
乘数 lijl_{ij}lij 正好就是 LLL 中 (i,j)(i, j)(i,j) 处的元素。因为当我们计算 UUU 的第三行的时候,实际上是用 AAA 的第三行减去 UUU 的前两行的一些倍数。
因此有
下面看一个特殊的例子
如果 AAA 的某一行以 0 开始,说明该位置不需要进行消元,也即 LLL 中对应位置的元素为 0。
如果 AAA 的某一列以 0 开始,该位置元素在消元过程始终不会改变,也即 UUU 中对应位置的元素为 0。
由于 LLL 的对角线上都是 1,而 UUU 的对角线上为主元,因此,这是不对称的。我们可以进一步将 UUU 进行分解,使得 UUU 的对角线上元素也都为 1。
这时候,AAA 的分解就变成了 A=LU=LDUA = LU = LDUA=LU=LDU,其中 DDD 是一个对角矩阵, LLL 是一个下三角矩阵, UUU 是一个上三角矩阵。
当我们从左边的 AAA 得到 LLL 和 UUU 后,我们就对右边的 bbb 进行同样的消元过程得到 Lc=bLc = bLc=b,然后再通过回带 Ux=cUx=cUx=c 求出方程组的解。
2. 消元过程的计算复杂度
假设我们有一个 n∗nn*nn∗n 的矩阵,首先我们要将第一列主元以下的元素都变成 000。这时候,每一个元素变成 000 我们都需要 nnn 次乘法和 nnn 次减法,总共有 n−1n-1n−1 个元素需要变成 000,总的乘法次数为 n(n−1)n(n-1)n(n−1),近似为 n2n^2n2。然后,我们要依次将后面列的主元下面的元素变成 000,需要的总的乘法次数为 n2+(n−1)2+⋯+2+1≈13n3n^2+(n-1)^2+\cdots + 2 + 1 \approx \frac{1}{3}n^3n2+(n−1)2+⋯+2+1≈31n3。
也就是说对左边的 AAA 消元要进行 13n3\frac{1}{3}n^331n3 次的乘法操作和 13n3\frac{1}{3}n^331n3 次的加法操作。
再来看右边对 bbb 进行消元,首先我们需要将 b2,b3⋯bnb_2, b_3 \cdots b_nb2,b3⋯bn 都减去 b1b_1b1,需要 n−1n-1n−1 次操作,往后我们依次需要 n−2,n−3⋯1n-2, n-3 \cdots 1n−2,n−3⋯1 次操作。回带的时候,求解最后一个方程的时候,我们只需要进行 1 次操作,依次往上我们需要 2,3⋯n2, 3 \cdots n2,3⋯n 次操作。因此,求解的过程总共需要 n2n^2n2 次的乘法操作和 n2n^2n2 次的加法操作
3. 转置和置换矩阵
AAA 的转置矩阵称为 ATA^TAT,其中 ATA^TAT 的列就是 AAA 的行,也即 (AT)ij=Aji(A^T)_{ij} = A_{ji}(AT)ij=Aji。
(A+B)T=AT+BT(A+B)^T = A^T + B^T(A+B)T=AT+BT
(AB)T=BTAT(AB)^T = B^TA^T(AB)T=BTAT
假设 BBB 是一个向量 xxx,那么对 (Ax)T=xTAT(Ax)^T = x^TA^T(Ax)T=xTAT 的理解就是:AxAxAx 是对 AAA 的列的线性组合,xTATx^TA^TxTAT 则是对 ATA^TAT 的行的线性组合,AAA 的列和 ATA^TAT 的行是一样的,所以线性组合后是一样的结果。
如果 BBB 有多列的话,我们就很容易得到
同理,针对更多的矩阵,我们也有
(ABC)T=CTBTAT(ABC)^T = C^TB^TA^T(ABC)T=CTBTAT
(A−1)T=(AT)−1(A^{-1})^T = (A^T)^{-1}(A−1)T=(AT)−1
AA−1=I→(AA−1)T=I→(A−1)TAT=I→(A−1)T=(AT)−1AA^{-1} = I \to (AA^{-1})^T = I \to (A^{-1})^TA^T = I \to (A^{-1})^T = (A^T)^{-1}AA−1=I→(AA−1)T=I→(A−1)TAT=I→(A−1)T=(AT)−1
转置形式的内积和外积
对称矩阵的转置等于它本身,也就是 AT=AA^T = AAT=A。而且,一个对称矩阵的逆矩阵也是对称的。
(A−1)T=(AT)−1=A−1(A^{-1})^T = (A^T)^{-1} = A^{-1}(A−1)T=(AT)−1=A−1
对于一个任意的矩阵 RRR,可以是矩形的,RTRR^TRRTR 和 RRTRR^TRRT 都是一个对称的方阵。
(RTR)T=RT(RT)T=RTR(R^TR)^T = R^T(R^T)^T = R^TR(RTR)T=RT(RT)T=RTR
当 A=ATA=A^TA=AT 时,如果没有行交换,那么有 A=LDU=LDLTA = LDU = LDL^TA=LDU=LDLT,此时 UUU 变成了 LTL^TLT。
置换矩阵 PPP 每行每列都只有一个 1,而且 PTP^TPT、PPTPP^TPPT 和任意两个置换矩阵的乘积 P1P2P_1P_2P1P2 都还是置换矩阵。此外,所有的置换矩阵都有 PT=P−1P^T=P^{-1}PT=P−1。
在 nnn 阶的情况下,置换矩阵的总的个数为 n!n!n!。例如 2 阶置换矩阵只有 2 个,3 阶置换矩阵有 6 个。
如果在需要行交换的情况下,我们可以先引入一个置换矩阵 PPP 使矩阵 AAA 的行有正确的顺序,然后再进行消元,这样的话我们就有
PA=LUPA=LUPA=LU
也可以进行消元,然后再用一个矩阵 P1P_1P1 来让主元有一个正确的顺序,这样的话我们就有
A=L1P1U1A=L_1P_1U_1A=L1P1U1
如果 AAA 是可逆的,置换矩阵 PPP 将会使它的行有一个正确的顺序然后分解成 PA=LUPA=LUPA=LU 的形式。
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