矩阵分析复习

第三章

定理

  1. 酉矩阵:A A H = A H A = E AA^H=A^{H}A=EAAH=AHA=E,那么A AA是酉矩阵。是正交矩阵A T A = A A T = E A^TA=AA^T=EATA=AAT=E的扩展。

  2. Hermite矩阵:也叫H HH-阵,A H = A A^H=AAH=A,那么A AA叫做Hermite矩阵。
    Hermite矩阵一定可以被酉变换为一个对角矩阵,且特征值均为实数。

  3. 正规矩阵:A A H = A H A AA^H=A^{H}AAAH=AHA,那么A AA是正规矩阵。H HH-阵,反H HH-阵,正交矩阵,酉矩阵,对角矩阵全部都是正规矩阵。

  4. 有关正定矩阵的等价叙述:
    - f ( X ) f(X)f(X)是正定的
    - 对于任意n阶可逆矩阵P PP都有P H A P P^{H}APPHAP为正定矩阵
    - A的n个特征值都大于零
    - 存在n阶可逆矩阵P PP使得P H A P = I P^{H}AP=IPHAP=I
    - 存在n阶可逆矩阵Q QQ使得A = Q H Q A=Q^{H}QA=QHQ
    - 存在正线上三角矩阵R RR使得A = R H R A=R^{H}RA=RHR且此分解唯一.

  5. 酉矩阵的行列式值为1,且所有特征值的模长为1,即∣ λ i ∣ = 1 |\lambda_i|=1λi=1

  6. Hermite矩阵偶在复合同下的标准型:设A , B A,BAB均为n阶Hermite-阵,且B是正定的。那么必存在P ∈ C n n × n P\in C_{n}^{n\times n}PCnn×n使得
    P H A P = [ λ 1 λ 2 ⋱ λ n ] P^{H}AP= \left[ \begin{matrix} \lambda_1 &&&\\ &\lambda_2 \\ &&\ddots\\ &&&\lambda_n \\ \end{matrix} \right]PHAP=λ1λ2λn
    P H B P = I n × n P^HBP=I_{n\times n}PHBP=In×n同时成立,其中λ 1 , λ 2 , . . . , λ n \lambda_1,\lambda_2,...,\lambda_nλ1,λ2,...,λn是与P PP无关的实数。

  7. Rayleigh商:设A AA为一个Hermite矩阵,那么我们称R ( X ) = X H A X X H X , ( X ∈ C n , X ≠ 0 ) R(X)=\frac{X^HAX}{X^HX},(X\in C^n, X\ne 0)R(X)=XHXXHAX,(XCn,X̸=0)为Hermite矩阵A AA的Rayleigh商。注意X XX是一个n维向量。

题目

  1. 证明:设A AA是一个正定的H-阵,且又是酉矩阵,则A = I A=IA=I
  2. 已知矩阵
    (1) A = [ 3 0 8 3 − 1 6 − 2 0 − 5 ] A= \left[ \begin{matrix} 3 & 0 & 8 \\ 3 & -1 & 6 \\ -2 & 0 & -5 \\ \end{matrix} \right] \tag{1}A=332010865(1)
    试求酉矩阵U UU使得U H A U U^HAUUHAU为上三角矩阵.

第五章

定理

  1. Holder不等式:设α = [ a 1 , a 2 , . . . , a n ] , β = [ b 1 , b 2 , . . . , b n ] ∈ C n \alpha =[a_1,a_2,...,a_n], \beta=[b_1,b_2,...,b_n]\in C^nα=[a1,a2,...,an],β=[b1,b2,...,bn]Cn

    ∑ i = 1 n ∣ a i b i ∣ ≤ ( ∑ i = 1 n ∣ a i ∣ p ) 1 / p ( ∑ i = 1 n ∣ b i ∣ q ) 1 / q \sum_{i=1}^{n}|a_ib_i|\leq(\sum_{i=1}^{n}|a_i|^p)^{1/p}(\sum_{i=1}^{n}|b_i|^q)^{1/q}i=1naibi(i=1naip)1/p(i=1nbiq)1/q
    其中p > 1 , q > 1 p>1, q>1p>1,q>11 / p + 1 / q = 1 1/p+1/q=11/p+1/q=1.
  2. 矩阵的Frobenious范数,表示为∣ ∣ A ∣ ∣ F ||A||_FAF。计算公式为
    ∣ ∣ A ∣ ∣ F = ( ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n ∣ a i j ∣ 2 ) ( 1 / 2 ) ||A||_F=(\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{n}|a_{ij}|^2)^{(1/2)}AF=(i=1mj=1naij2)(1/2) 即为矩阵中所有元素的平方和开根号。
  3. 诱导范数:列和范数,谱范数,行和范数
  4. 矩阵的谱半径:矩阵A AA所有特征值中绝对值最大的就是矩阵A AA的谱半径。
  5. 收敛与绝对收敛:绝对是指绝对值

题目

  1. 证明范数:非负性,齐次性,三角不等式,矩阵乘法相容性

第六章

定理

  1. Hamilton-Cayley定理:已知A ∈ C n × n , f ( λ ) A\in C^{n\times n},f(\lambda)ACn×nf(λ)为其特征多项式,那么就有f ( A ) = O n × n f(A)=O_{n\times n}f(A)=On×n
  2. 最小多项式:在A AA的零化多项式中,次数最低且首项系数为A AA的最小多项式,通常记为m ( λ ) m(\lambda)m(λ)
  3. 矩阵函数f ( A ) f(A)f(A)的Jordan表示

题目

  1. 给出多项式f ( x ) f(x)f(x) 求矩阵函数f ( A ) f(A)f(A)
  2. 求A的最小多项式m ( λ ) m(\lambda)m(λ)
  3. 求矩阵函数f ( A ) f(A)f(A)的Lagrange-Sylvester内插多项式表示:
    先由矩阵A AA的最小多项式Ψ A ( x ) \Psi_A(x)ΨA(x)写出Φ 1 ( x ) , Φ 2 ( x ) , . . . Φ k ( x ) \Phi_1(x),\Phi_2(x),...\Phi_k(x)Φ1(x),Φ2(x),...Φk(x);然后再求出a 11 , a 12 , . . . , a 1 d 1 ; a 21 , a 22 , a 2 d 2 ; a k 1 , a k 2 , a k d k a_{11},a_{12},...,a_{1d_1};a_{21},a_{22},a_{2d_2};a_{k1},a_{k2},a_{kd_k}a11,a12,...,a1d1a21,a22,a2d2ak1,ak2,akdk;最后写出插值多项式表示
    f ( A ) = ∑ k = 1 s [ a k 1 E + a k 2 ( A − λ k E ) + a k 3 ( A − λ k E ) 2 + . . . . . . + a k d k ( A − λ k E ) d k − 1 ] Φ k ( A ) f(A)=\sum_{k=1}^{s}[a_{k1}E+a_{k2}(A-\lambda_kE)+a_{k3}(A-\lambda_kE)^2+......+a_{kd_k}(A-\lambda_kE)^{d_k-1}]\Phi_k(A)f(A)=k=1s[ak1E+ak2(AλkE)+ak3(AλkE)2+......+akdk(AλkE)dk1]Φk(A)
    其中s是最小多项式中因子的数量。d k ( 其 中 k = 1 , 2 , . . . , s ) d_k(其中k=1,2,...,s)dk(k=1,2,...,s)是每个因子的次数。
    也就是说每个因子都有d k d_kdk个系数,就是说一共有∑ k = 1 s d k = m \sum_{k=1}^{s}d_k=mk=1sdk=m个系数
  4. 求矩阵函数f ( A ) f(A)f(A)的多项式表示:p ( x ) p(x)p(x)比最小多项式低一阶。最小多项式的阶数∑ k = 1 s d k = m \sum_{k=1}^{s}d_k=mk=1sdk=m,那么p ( x ) p(x)p(x)就是一个m-1阶多项式。
    先求出最小多项式m ( x ) m(x)m(x)
    p ( k ) ( λ i ) = f ( k ) ( λ i ) p^(k)(\lambda_i)=f^(k)(\lambda_i)p(k)(λi)=f(k)(λi)(其中k表示k阶导数)将p ( x ) p(x)p(x)的系数用f ( k ) ( λ ) f^{(k)}(\lambda)f(k)(λ)表示
  5. 求矩阵函数的幂级数表示:

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