正规矩阵的广义逆Generalized inverse of a normal matrix

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广义逆矩阵

广义逆矩阵

广义逆矩阵————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:浅谈广义逆矩阵摘要:文章介绍莫尔-潘鲁斯(moore-penrose)广义逆矩阵的概念及其与实际背景的联系。

文章中定理1和定理2说明条件i与相容线性方程组的基本解的广义逆矩阵的联系,定理3说明条件i和iv与相容线性方程组的最小模解的广义逆矩阵的联系。

abstract: the article introduces the concept ofmoore-penrose’s generalized inverse matrix and its relation with the actual background. theorem 1 and theorem 2 in this article illustrate the relation between conditions 1 and generalized inverse matrix of the fundamental solution of compatible linear equation.theorem 3 illustrates condition i and condition iv’s relation with generalized inverse matrix of the minimal model solution of compatible linear equation.关键词:广义逆矩阵;相容线性方程组;最小模解key words: generalized inverse matrix;compatible linear equation;minimal model solution0 引言在科技、工程、医学、经济、以及气象学的不同领域,经常会遇到求线性方程组a■ξ■+a■ξ■+……+a■ξ■=β■a■ξ■+a■ξ■+……+a■ξ■=β■……………………………a■ξ■+a■ξ■+……+a■ξ■=β■(1)或矩阵方程aξ=β(1)’的求解问题。

第4章 矩阵的广义逆

第4章 矩阵的广义逆

例题1 设W是C n 的子空间,证明 存在到W的投影 变换, 使R()=W。
3、正交投影的性质
定理4.16(P . 104)设W是C n的子空间,x0C n, x 0 W,如果是空间C n向空间W的正交投影, 则
( x0 ) x0 y x0
y W
含义:点(x0)是空间 W 中与点x 0距离最近的点。
讨论:对任何满足式( ¤) 的左逆B,X=Bb都是方程组的
解,如何解释方程组的解是惟一的?
§ 4. 2 广义逆矩阵
思想:用公理来定义广义逆。 一、减号广义逆 定义4 . 2 (P . 95) A C m n ,如果,G C n m使得,
AGA=A,则矩阵G为的A减号广义逆。或{1}逆。A的 减号逆集合A{1}={A1–1,A2–1, , Ak–1} 例题1 A C nn可逆,则A–1 A{1}; A单侧可逆,则A –1LA{1};A–1RA{1}。 减号逆的求法:定理4.5(P . 95) 减号逆的性质:定理4.6 (P . 96)
• 设A满秩分解A=BC, 则A + =CH (CCH )–1(BH B)–1BH 。 • (定理4.9)设A奇异值分解 :
H A U V ,则 0 0

1 0 H A V U 0 0
例题1 求下列特殊矩阵的广义逆;
零矩阵0; 1阶矩阵( 数) a; a1 对角矩阵
4、A + A与AA +的性质 定理4.15(P . 104)
A + A的性质:
• (A + A)2 = A + A,(A + A)H = A + A • C n =R(A + ) N(A) • R (A + )= N(A)

广义逆简介

广义逆简介
广义逆简介
广义逆的思想可追溯到 1903 年弗雷德霍姆(E. I. Fredholm)的工作,他讨论了关于积分算子的一种 广义逆(他称之为伪逆)。1904 年,希尔伯特(D. Hilbert)在广义格林函数的讨论中,含蓄地提出了微 分算子的广义逆。而任意矩阵的广义逆定义最早是 由摩尔(E. H. Moore)在 1920 年提出的,他以抽象 的形式发表在美国数学会会刊上。当时人们对此似 乎很少注意,这一概念在以后 30 年中没有多大发 展,只有曾远荣在 1933 年,默里(F. J. Murray)和 冯·诺伊曼(John von Neumann)在 1936 年对希尔伯 特空间中线性算子的广义逆作过一些讨论。
美国的数学水平就在他们这一代与欧洲先 进国家并驾齐驱,他们的学生也不必再到欧洲 游学了。
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曾远荣介绍 曾远荣(1903~1994),国立中央大学教授, 数学家,我国泛函分析第一代著名学者。
曾远荣字桂冬,1903 年 10 月生,四川南溪 人。出生 8 个月父曾绍芬弃独子而逝,9 岁又丧 母,自幼住外婆家。1919 年 7 月曾远荣在成都 考取了清华学校留美预备部后,一直读到 1927 年 8 月去美国留学,先后在芝加哥大学、普林 斯顿大学、耶鲁大学学习研究数学。1930 年在 1930 芝加哥大学获硕士学位,1933 年获博士学位。5 月回国,8 月受聘为中央大学教授。1934 年 8 月至 1942 年 7 月一直任教于清华大学。1942 年 秋至 1945 年 7 月被成都燕京大学聘为客座教授。
国际数学会与 Klein 的演讲轰动整个美国数 学界,芝加哥大学很快就变成美国的数学重镇。 Moore 本身的研究非常出色,但更重要的是他教 出了许多更出色的学生,其中最有名的是 Dickson(1874 ~ 1954 年 , 研 究 数 论 与 群 论 ) 、 Veblen(1880 ~ 1960 年 , 研 究 几 何 学 ) 及 G. D. Birkhoff(1884~1944年,研究分析学)。日后他 们分别在芝加哥大学、普林斯顿大学及哈佛大 学带动研究,使这三个地方成为二十世纪上半 叶美国的数学重镇,而他们本身的研究也是世 界级的。

求矩阵的广义逆

求矩阵的广义逆

0 是A 的广义逆. (证毕)
一般地, 我们有: 如果m ×n 矩阵A 是满秩的, 且A 的 r ( r= m in (m , n) ) 阶子式 i1 i2 … ir
N j1 j2 … jr 的行列式不等于零, 则当m ≤n 时,
第4期
张静 求矩阵的广义逆
381
N-1 1
P
j1
2 j2
…m … jm
≠0 可知A 是满秩的, 但反之不成立.
例 设
125
A=
.
210
因为 A = - 18≠0 , 所以用伴随矩阵法求得A 的广义逆 G 1:
G1 =
1 A
A3
=
-
1
1 18
-
2
-3
-7 - 4=
3
-
1 18
1 9
1 6
又因为, A 的二阶子式:
7 18
2 9
-
1 6
12 N
=
1 2 ≠ 0, N 1 2
下面给出求矩阵广义逆的初等变换法: 本文只对m ≤n 的情形进行讨论, 当m ≥n 时, 利用列式相应的性质可得相应的结论. 用
1 2 …m N j 1 j 2 … jm
表示矩阵 A 的位于 1, 2, …, m 行; j 1, j 2, …jm 列的元素构成的A 的 m 阶子式.
定理 2 设 m ×n 矩阵 (m ≤n)A = (a ij ) , 如果 N
i1 i2 … ir N j1 j2 … jr
(r= m in (m , n) ) 的行列式不等于零, 则
1 2 …m
N-1
p
j1Βιβλιοθήκη j2…jm0
或 N i i1 1

第八章 矩阵的广义逆

第八章 矩阵的广义逆

第八章矩阵的广义逆前言初等变换和标准形初等变换和标准形举例
§8.1 广义逆矩阵减号逆的概念
减号逆存在定理及求法减号逆存在定理及求法续
关于减号逆公式的注一个减号逆确定所有减号逆1减号逆的主要性质续减号逆的主要性质续
减号逆的主要性质续左逆与右逆的概念矩阵左逆与右逆的求法自反广义逆的概念
自反广义逆的存在与唯一性自反广义逆的唯一性自反广义逆与左(右)逆的关系用满秩分解求自反广义逆
自反广义逆的求法自反广义逆的求法续§8.2 伪逆矩阵
伪逆的存在性求伪逆举例
伪逆的唯一性
伪逆的性质

⎛−101求伪逆举例
§8.3 广义逆与线性方程组
一般矩阵方程有解的条件一般矩阵方程的通解
用减号逆求解相容线性方程组举例相容线性方程组的最小模解0130

相容方程组最小模解的充要条件
相容方程组最小模解的充要条件续
求相容方程组最小模解举例
Ax,即‖Ax-b‖>0.
不相容方程组的最小二乘解
R(A)
Ax 0
不相容方程组的最小二乘解举例用广义逆求最小二乘解定义8.3.2:线性方程组Ax=b 的一个最佳最小二乘
矩阵方程的最小二乘解。

矩阵论-第五章-广义逆及最小二乘

矩阵论-第五章-广义逆及最小二乘

第五章 广义逆及最小二乘解在应用上见得最频繁的、大约莫过于线性方程组了。

作一番调查或整理一批实验数据,常常归结为一个线性方程组:Ax b =然而是否是相容方程呢?倘若不是,又如何处理呢?最小二乘解是常见的一种处理方法。

其实它不过是最小二乘法的代数形式而已。

广义逆从1935年Moore 提出以后,未得响应。

据说: (S.L.Campbell & C.D.Meyer.Jr Generalized Inverses of Linear Transformations 1979 P9)原因之一,可能是他给出的定义,有点晦涩。

其后,1955年Penrose 给出了现在大都采用的定义以后,对广义逆的研究起了影响,三十年来,广义逆无论在理论还是应用上都有了巨大发展,一直成为了线性代数中不可缺少的内容之一。

为了讨论的顺利进行,我们在第一节中先给出点准备,作出矩阵的奇值分解。

§5.1 矩阵的酉交分解、满秩分解和奇值分解在线行空间中,知道一个线性变换在不同基偶下的矩阵表示是相抵的或等价的。

用矩阵的语言来说,就是:若 ,m n A B C ×∈,倘有非异矩阵()P m n ×,()Q n n ×存在,使B PAQ =则称A 与B 相抵的或等价的。

利用初等变换容易证明m n A C ×∈,秩为r ,则必有P ,Q ,使000r m nI PAQ C ×⎛⎞=∈⎜⎟⎝⎠(5.1-1) 其中r I 是r 阶单位阵。

在酉空间中,上面的说法,当然也成立,如果加上P ,Q 是酉交阵的要求,情形又如何呢?下面就来讨论这个问题。

定理 5.1.1 (酉交分解) m n A C ×∈,且秩为r ,则(),(),,H H m n U m n V n n U U I V V I ∃××==,使00r HU AV Δ⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠(m n) (5.1-2) 其中r Δ为r 阶非异下三角阵。

广义逆矩阵

广义逆矩阵

1 0 0
10 0
1 0
0
0 1


0 1 0
0 0
0 1

把 y1 0,0,1,0T , y2 0,0,0,1T 扩充为R4 的一组标准正交基得:
y3 1,0,0,0T , y4 0,1,0,0T 再令 U y1, y2 , y3, y4 ,
设r 0,由满秩分解定理知,存在B Crmr ,C Crrn , 使得A BC
令X C H (CC H )1(BH B)1 BH
可以验证X满足广义逆矩阵方程
对于矩阵方程
几类弱逆
AXA A
(P1)
XAX X
AX H AX
(P2 ) ( P3 )
XAH XA (P4 )
则有唯一解 x A1b; 但当A是奇异方阵或长方矩阵时,它的解
不唯一,我们可以利用减号逆给出方程组的通解。
2)如果方程组相容,且其解有无穷多个,可求出具有极小范数的
解,即 min x , 其中 为欧氏范数,可以证明满足此条件 Axb
的解是唯一的,称为极小范数解。
3)若方程组不相容,则不存在通常意义下的解,但在许多实际 问题中,需要求出这样的解:
Al --最小二乘广义逆
A{1,4},它的形式记为
Am 最小范数广义逆
广义逆A-
A{1}是指仅满足第一个Penrose方程的广义逆,即若
AA-1A=A, 则记 A A{1}
说明: 1)利用初等行变换,可以求得A-
2)A的减号逆A-不唯一。
例:设
A

1 1
0 0,
1 0
第七章 广义逆矩阵
广义逆矩阵是逆矩阵的推广,与线性方程组的求解有密切 联系。给定一个线性方程组 Ax=b,当矩阵A可逆时,线性 方程组的解可表示为x=A-1 b

广义逆矩阵及其应用【文献综述】

广义逆矩阵及其应用【文献综述】

毕业论文文献综述数学与应用数学广义逆矩阵及其应用一、前言矩阵是数学中的一个重要的基本概念,是代数学的一个主要研究对象,也是数学研究和应用的一个重要工具。

“矩阵”这个词是由西尔维斯特首先使用的,他是为了将数字的矩形阵列区别于行列式而发明了这个术语。

而实际上,矩阵这个课题在诞生之前就已经发展的很好了。

从行列式的大量工作中明显的表现出来,为了很多目的,不管行列式的值是否与问题有关,方阵本身都可以研究和使用,矩阵的许多基本性质也是在行列式的发展中建立起来的。

在逻辑上,矩阵的概念应先于行列式的概念,然而在历史上次序正好相反。

先把矩阵作为一个独立的数学概念提出来,并首先发表了关于这个题目的一系列文章。

凯莱同研究线性变换下的不变量相结合,首先引进矩阵以简化记号。

1858 年,他发表了关于这一课题的第一篇论文《矩阵论的研究报告》,系统地阐述了关于矩阵的理论。

文中他定义了矩阵的相等、矩阵的运算法则、矩阵的转置以及矩阵的逆等一系列基本概念,指出了矩阵加法的可交换性与可结合性。

另外,凯莱还给出了方阵的特征方程和特征根(特征值)以及有关矩阵的一些基本结果。

1855 年,埃米特(C.Hermite,1822~1901)证明了别的数学家发现的一些矩阵类的特征根的特殊性质,如现在称为埃米特矩阵的特征根性质等。

后来,克莱伯施(A.Clebsch,1831~1872)、布克海姆(A.Buchheim)等证明了对称矩阵的特征根性质。

泰伯(H.Taber)引入矩阵的迹的概念并给出了一些有关的结论。

在矩阵论的发展史上,弗罗伯纽斯(G.Frobenius,1849-1917)的贡献是不可磨灭的。

他讨论了最小多项式问题,引进了矩阵的秩、不变因子和初等因子、正交矩阵、矩阵的相似变换、合同矩阵等概念,以合乎逻辑的形式整理了不变因子和初等因子的理论,并讨论了正交矩阵与合同矩阵的一些重要性质。

1854 年,约当研究了矩阵化为标准型的问题。

1892年,梅茨勒(H.Metzler)引进了矩阵的超越函数概念并将其写成矩阵的幂级数的形式。

广义逆矩阵及其应用 毕业论文

广义逆矩阵及其应用 毕业论文

目录摘要 (III)ABSTRACT (IV)1前言 (1)1.1选题的背景和目的 (1)1.2本文要解决的问题和所用的方法 (1)2 广义逆矩阵的概念 (2)2.1广义逆矩阵的基本概念 (2)2.2减号逆 (3)2.3自反广义逆 (4)2.4最小范数广义逆 (4)2.5最小二乘广义逆 (5)2.6加号逆 (6)3 广义逆矩阵的性质 (8)4广义逆矩阵的计算方法 (10)4.1满秩长方阵的广义逆的概念 (10)4.2广义逆矩阵的计算方法 (10)4.2.1初等变换法 (10)4.2.2满秩分解法 (11)5广义逆在解线性方程组中的应用 (14)5.1线性方程组的求解问题的提法 (14)5.2相容方程组的通解与减号逆 (15)5.3相容方程组的极小范数解与最小范数广义逆 (16)5.4不相容方程组的最小二乘解与最小二乘广义逆 (18)5.5加号逆的应用 (20)总结 (22)谢辞 (23)参考文献 (24)摘要广义逆矩阵是对一般逆矩阵的推广,把方阵求逆推广到非奇异矩阵求逆。

广义逆矩阵在解线性方程组中有广泛的应用,它为解决复杂线性方程组提供了一种捷径。

掌握正确的使用广义逆矩阵具有重要的意义。

论文具体讨论了广义逆矩阵的概念、性质及计算方法,还有不同类型的广义逆矩阵在解线性方程组中的应用。

举出了应用广义逆矩阵来解决不同类型的实例,并且每一个例子解答前有分析,解答后有总结或结论,并从中归纳出一些应用规律。

本论文主要通过总结广义逆矩阵的概念及不同的应用,巩固并加深了矩阵的基础知识,同时也提高了分析解题能力。

关键词:广义逆矩阵;满秩长方阵;线性方程组;最小二乘解Generalized Inverse Matrix and Its ApplicationABSTRACTGeneralized inverse matrix is the promotion of the general inverse matrix, which is the inverse square extended to non-singular matrix inversion. Generalized inverse matrix are widely used in solving linear equations, and it provides a shortcut to solve complex linear equations. It is very important to master the correct use of generalized inverse matrix.The paper specifically discusses the concept of generalized inverse matrix, the nature and method of calculation, and there are different types of generalized inverse matrix in the solution of linear equations. There are some different instances of the application of generalized inverse matrix in the paper,.We can be concluded and find the law from the case. We consolidate the basics of matrix generalized inverse matrix by summing up the concept and different applications, improving our problem solving ability.Key Words: generalized inverse matrix; long full rank matrix; linear equations; least squares solution1前言1.1 选题的背景和目的我们知道矩阵逆的概念只对非奇异方阵才有意义,但是在实际问题中我们碰到的矩阵并不都是方阵,即使是方阵也不都是非奇异的。

第八章矩阵的广义逆

第八章矩阵的广义逆

第八章矩阵的广义逆
第八章矩阵的广义逆前言初等变换和标准形初等变换和标准形举例
§8.1 广义逆矩阵减号逆的概念
减号逆存在定理及求法减号逆存在定理及求法续
关于减号逆公式的注一个减号逆确定所有减号逆1减号逆的主要性质续减号逆的主要性质续
减号逆的主要性质续左逆与右逆的概念矩阵左逆与右逆的求法自反广义逆的概念
自反广义逆的存在与唯一性自反广义逆的唯一性自反广义逆与左(右)逆的关系用满秩分解求自反广义逆
自反广义逆的求法自反广义逆的求法续§8.2 伪逆矩阵
伪逆的存在性求伪逆举例
伪逆的唯一性
伪逆的性质
101求伪逆举例
§8.3 广义逆与线性方程组
一般矩阵方程有解的条件一般矩阵方程的通解
用减号逆求解相容线性方程组举例相容线性方程组的最小模解0130
相容方程组最小模解的充要条件
相容方程组最小模解的充要条件续
求相容方程组最小模解举例
Ax,即‖Ax-b‖>0.
不相容方程组的最小二乘解
R(A)
Ax 0
不相容方程组的最小二乘解举例用广义逆求最小二乘解定义8.3.2:线性方程组Ax=b 的一个最佳最小二乘
矩阵方程的最小二乘解。

矩阵的广义逆

矩阵的广义逆
注:A{1}叫做{1}逆,也称减号逆,记为A-, A也称为加号逆或伪逆.
第二节 广义逆矩阵A+
例:令A=
1 0
1 0
,B=
11,可直接验证
A+
=
1 1
/ /
2 2
0 0
,
B+
=
1 2
1 2
任给矩阵A Cmn ,伪逆是否存在呢?若存在是否唯一?
定理1:(Penrose)任给矩阵A Cmn , A存在且唯一.
第三章 矩阵的广义逆
线性方程组及广义逆:Ax=b
第一节 广义逆矩阵
定义1:设A Cmn , 若矩阵X满足四个Penrose方程: 1) AXA A; 2) XAX X ;3)( AX )H =AX ; 4)( XA)H =XA 的全部或者一部分,则称X为A的广义逆矩阵. 满足上述一个,两个,三个或四个方程的广义逆矩阵共有15种.
证明:1)由存在唯一性和方程1-4中A与A+的对等地位可得. 2) 3)由方程1-4共轭转秩和转秩可得. 4)可直接验证,如方程1: AH A( A ( AH ) ) AH A AH ( AA )H ( AA )H A ( AA A)H ( AA A) AH A.同理可证其他方程.
定理2:设A Cmn ,则1)( A ) A; 2)( AH ) ( A )H ;3)( AT ) ( A )T ; 4)( AH A) A ( AH ) , ( AAH ) ( AH ) A;5)( AB) B A; 6)一般地, A A AA I; 7)r( A ) r( A);8) A ( AH A) AH AH ( AAH ); 9)R( A ) R( AH ), N ( A ) N ( AH ).

第4章 矩阵的广义逆.

第4章 矩阵的广义逆.

➢L和M是的不变子空间;L=I; M =0
投影变换的矩阵 投影的矩阵和变换性质:
{ 1,2 , , n}I0r
0 0
1. 定理4 .13(P . 101) 是投影 是幂等变换 2. 推论: 为投影变换的充要条件是变换矩阵是 幂等矩阵
二、正交投影和正交投影矩阵
1. 正交投影的定义:
定义4.5 (P . 103) 设 :C nCn 是投影变换, C n =R() N(),如果 R () =N(),则称为正交投影。
A+=AH (AAH) –1。 5. A有满秩分解:A=BC,则A+=C+B+。
A +与A–1 性质的差异比较:
(AB)–1=B –1 A –1 ,一般不成立(AB)+=B+A+。(只有满秩分解成立)
(A–1)k =(Ak) –1 ,但不成立(A+)k=(Ak)+
§ 4. 3 投影变换(为讨论A + 的应用做准备
1. A。ACR1m n右可逆,则bCm,AX=b有解 2. X= b 是方程组AX=b的解。
二、单侧逆和求解线性方程组AX=b
• 2、左可逆矩阵
– 求解分析:
– 定理4 3 (P . 94)设矩阵A C m n左可逆,B是矩阵A
的任何一个左逆,则
1. AX=b有形如X=Bb的解的充要条件是
( Im–AB )b=0
– 定理4.8(P . 99)任何矩阵都有M-P广义逆 。
– 求法:
• 设A满秩分解A=BC, 则A + =CH (CCH )–1(BH B)–1BH 。
AU• (0定理004V.9H),设A则奇异值A分解V:01 00UH

关于矩阵广义BottDuffin逆的逆序律

关于矩阵广义BottDuffin逆的逆序律

关于矩阵广义BottDuffin逆的逆序律
矩阵广义Bott-Duffin逆是一种广义逆矩阵,与传统的矩阵逆有所不同。

它是由F.J. Duffin和Albert P. Bott提出的,在信号处理和系统理论中有着重要的应用。

正如我们所知,矩阵的逆是一个乘法关系的倒数。

如果一个矩阵A存在逆A^-1,那么
A乘以A^-1等于单位矩阵I,即A*A^-1=I。

对于非方阵和奇异矩阵(即行列式为零的矩阵),它们没有逆矩阵。

在信号处理和系统理论中,我们经常会遇到奇异矩阵。

这种情况下,我们无法使用传
统的矩阵逆来求解问题。

而矩阵广义Bott-Duffin逆则提供了一种解决方案。

矩阵广义Bott-Duffin逆的定义如下:对于一个m×n矩阵A,如果存在一个n×m矩阵B,满足以下条件:
1. ABA=A,即A乘以B乘以A等于A本身;
2. BAB=B,即B乘以A乘以B等于B本身;
关于矩阵广义Bott-Duffin逆的逆序律是指:如果A的广义Bott-Duffin逆是B,那么B的广义Bott-Duffin逆为A,即(B#)#=A。

证明:设B=A#,那么有
ABB#A#BA#A#B=A,
BAA#BA#BA#AB=A。

由于矩阵乘法满足结合律,得到:
进一步利用逆序律,可以推导出:
(B#)#(B#)#(AA#)A=(B#)#,
(A#)#(AB#)(B#)#=(A#)#。

根据逆的唯一性,我们得到(B#)#=A。

矩阵广义Bott-Duffin逆的逆序律得到证明。

矩阵的广义逆与伪逆

矩阵的广义逆与伪逆

矩阵是线性代数中的重要概念,广泛应用于各个领域。

而矩阵的广义逆和伪逆则是矩阵理论中的两个重要概念。

广义逆和伪逆提供了解决线性方程组无解、矩阵非满秩等问题的方法,对于矩阵求逆计算和最小二乘法等问题都具有重要的意义。

首先,我们来讨论矩阵的广义逆。

对于一个矩阵A,如果存在一个矩阵A+,使得AA+A=A+AA=A,那么A+就是A的广义逆。

广义逆的存在性是有条件的,对于满秩矩阵而言,它的广义逆就是它的逆矩阵;而对于非满秩矩阵,它不存在逆矩阵,但仍然可能存在广义逆。

广义逆的计算方法有很多种,例如Moore-Penrose广义逆、Drazin广义逆等。

广义逆的应用非常广泛,例如在最小二乘法中,求解具有多个解的线性方程组,求解线性回归等问题都可以通过广义逆得到解析解。

接下来,我们来讨论矩阵的伪逆。

对于一个矩阵A,如果存在一个矩阵A+,使得AA+A=A+AA=A,并且A+A+A+=A+,那么A+就是A的伪逆。

伪逆与广义逆的定义是有所区别的,伪逆要求除了满足广义逆的条件外,还要求伪逆自身也是广义逆。

伪逆的计算方法与广义逆类似,但是计算过程中要额外考虑伪逆自身的广义逆性质。

伪逆的应用非常多样化,它可以用于在矩阵不可逆的情况下解决线性方程组的问题,还可以用于用最小二乘法拟合非线性关系等。

对于机器学习和人工智能等领域来说,矩阵的伪逆是一个重要的工具,能够帮助我们处理各种复杂问题。

矩阵的广义逆和伪逆在实际问题中发挥了重要作用,它们能够帮助我们解决线性方程组无解、矩阵非满秩等问题。

广义逆的存在性是有条件的,对于满秩矩阵而言,它的广义逆就是它的逆矩阵;而对于非满秩矩阵,它不存在逆矩阵,但仍然可能存在广义逆。

广义逆的计算方法有很多种,例如Moore-Penrose广义逆、Drazin广义逆等。

通过广义逆,我们可以得到线性方程组的解析解,也可以用于最小二乘法的计算等。

而伪逆则是广义逆的更严格的要求,除了满足广义逆的条件外,它还要求伪逆自身也是广义逆。

求解矩阵Penrose广义逆的混合智能算法

求解矩阵Penrose广义逆的混合智能算法

求解矩阵Penrose广义逆的混合智能算法刘好斌;牟廉明【摘要】有效求解矩阵Penrose广义逆是一个困难的问题.首先将求解Penrose 广义逆转化为求最小极值问题,结合粒子群算法和差分算法的优点,设计了混合智能算法.仿真实验结果表明:混合智能算法求解Penrose广义逆是有效的和可行的.算法易于计算机实现,计算精度高.%Researchers have long been plagued by the problem of finding an effective approach to solve the Penrose generalized Matrix Inverses of a matrix. First, the determination of the Penrose generalized Matrix Inverses is transformed into the deterinination of the minimal extremum;and then in combination with the advantages of particle swarm optimization and difference algorithm, a hybrid intelligent algorithm is thus designed, And the simulation test shows that the newly developed hybrid intelligent algorithm proves to be effective and feasible in solving the Penrose generalized inverses and is characterized by high accuracy and easy computer execution of computer operation.【期刊名称】《内江师范学院学报》【年(卷),期】2011(026)012【总页数】4页(P9-12)【关键词】Penrose广义逆;粒子群算法;差分进化算法;混合智能算法【作者】刘好斌;牟廉明【作者单位】内江师范学院数学与信息科学学院//四川省高等学校数值仿真重点实验室,四川内江641100;内江师范学院数学与信息科学学院//四川省高等学校数值仿真重点实验室,四川内江641100【正文语种】中文【中图分类】TP301.6m×n矩阵的Penrose广义逆理论在数理统计、多元分析、最优化理论、控制论等多门学科有广泛的应用,其数值应用在工科计算中也发挥着越来越重要的作用.近些年,对矩阵的广义逆的理论和应用方面的研究取得了很大的发展,邹菳等[1]研究了格值矩阵的逆及广义逆等相关问题;有的学者研究了环和域上矩阵的逆和M-P广义逆的性质以及格值矩阵及模糊矩阵的性质及其应用[2-4].史静平[5]将粒子群算法应用于广义逆控制分配法的寻优,使用适应度函数去衡量不同加权矩阵产生的不同广义逆阵地分配效率;丘文千[6]利用广义逆的方法来求解非线性规划问题.由此可见,矩阵的广义逆研究已有不少的成果,但其求解方法还有待研究.对于矩阵的Penrose广义逆求解,传统的方法有奇异值分解、满秩分解和迭代法计算[7],其计算量大等缺点一直存在.采用现代智能算法往往能够取得很好的效果,廖平[8]用粒子群优化算法计算点到复杂曲面最短距离的问题,解决了一个复杂的非线性寻优问题;常桂娟[9]改进粒子群算法在作业车间调度问题中的应用;智能算法在传统领域发挥着巨大的作用.本文提出把Penrose广义逆的四个等式约束转化为一个优化问题,根据粒子群算法和差分进化算法的优缺点,综合设计出混合算法来求解这个优化问题,从而达到利用智能算法求解Penrose广义逆的目的.定义1[7]设矩阵A∈Cm×n,若矩阵X∈Cn×m满足如下四个Penrose方程.则称X为A的Penrose广义逆,记为A+.其中定义中的C表示复数,*表示矩阵或向量的共轭转置.定理1[7]对任意A∈Cm×n,A+存在且唯一.1995年由Kennedy和Eberhart[10]提出基本粒子群算法后,于1998年,Shi等[11]提出了一种改进的粒子群算法,后来被称为标准粒子群算法.也就是在基本粒子群算法上添加一个惯性权重ω,用来调整上一刻速度对下一刻速度的影响程度,同时也对全局搜索能力和局部搜索能力起到了一个平衡作用.下面就是标准PSO算法的更新公式:其中,v表示粒子的速度,x表示粒子的位置,i表示第i个粒子,j表示在j方向上的分量,ω表示惯性权重,c1,c2 都是正的加速因子,而r1,r2 都是在[0,1]之间均匀分布的随机数,p表示单个个体在历史上已经寻到的最优位置(粒子位置的优劣取决于适应值函数得到结果的大小),g表示整个种群所已寻到的最优位置,t表示第t次迭代.在速度更新公式中的右边有三部分组成,第一部分反映当前速度的影响,联系粒子当前的状态,起到了平衡全局和局部搜索的能力;第二部分反映认知模式(cognition modal)的影响,即粒子本身记忆的影响,使粒子具有全局搜索能力,避免陷入局部极小;第三部分反映社会模式(social modal)的影响,即群体信息的影响,体现粒子间的信息共享,由于加速因子,c1,c2是认知模式和社会模式的影响因子,所以也可以通过调整c1,c2的值来平衡种群的多样性与收敛性. DE算法[12]首先利用在搜索空间内随机选取的两个向量的差值与第三个随机选取向量(这个向量在本文中取目前已经搜索到的最优位置)的加权求和来实现群体变异,然后通过交叉算子使父代与相应的变异个体交叉运算生成实验个体,接着通过比较实验个体和相应父代个体的适应值优劣来保存优秀个体,如此反复迭代,不断的进化.变异操作:DE的变异操作是在父代个体的差分矢量上的基础上进行的,实际应用中DE有多种变异方案,其变异个体的生成方法各不相同.本文中算法采用的变异操作是其中,t表示第t代,xg是目前种群中已搜寻到的最优个体,xr1,xr2是从种群中随机挑选出来的两个不同的个体,F是[0,1.2]之间的一个数,称为缩放比例因子,用来调整变异个体在最优个体周围特定范围取值的程度,控制着向量的大小.由式(2)可知,变异可保证种群在一定程度上的多样性.交叉操作:DE的交叉操作是在父代个体与相应的变异个体之间进行,父代个体与相应的变异个体按照一定的规律交换彼此的向量分量而生成实验个体,来提高种群的多样性,其操作其中,u表示试验个体,v表示变异个体,i表示第i个粒子,j表示在j方向上的分量,R函数产生一个[1,N]之间均匀分布的随机整数,N是种群中的粒子数. 选择操作:DE的选择操作是在试验个体与原父代个体间进行一对一的选择,选择的决定因素就是比较它们的适应值大小(默认是指求最小优化的问题),选择公式为其中,xi(t+1)为新产生的下一代个体中第i个粒子的位置,u是试验个体,f是适应值函数.将矩阵A的Penrose广义逆的四个等式条件转化为一个求解极小的优化问题.优化问题的目标函数可取四个等式各自相减,再取绝对值的和;约束条件为四个等式约束.而目标函数就作为混合算法的适应值函数.对于混合算法中粒子的边界,根据罚函数因子[13]的思想,首先在初始范围内没有寻找到最优解,再逐步扩大搜索区域,进而达到搜索到最优值的要求.由粒子群算法和差分算法的更新策略分别对混合算法的父代个体进行更新,从而得到两个子种群,再按照一定的比例,从两个子种群中的那些较优粒子得到混合算法的子代.如此反复,进而得到最优解,达到优化的效果.由混合算法的更新思路可知,混合算法充分利用了粒子群与差分进化两种算法在每一次迭代后的较优结果,在继承优势的同时,很好的指导了下一次的搜索行为.1)初始化算法的各参数:粒子数 N,c1,c2,ω,交叉率CR,择优率r,最大迭代次数max,适应值误差ε,初始边界,并根据矩阵A,求得算法适应值函数和混合算法维数D,转2).2)初始化迭代次数t=0,在边界范围内随机初始化混合算法粒子的位置与速度,并更新个体最优与群体最优,转3).3)分别用粒子群算法与差分进化算法的两种更新策略对混合算法的第t代群体进行更新,分别得到两个子种群R1,R2,转4).4)更新子种群R1,R2的个体最优与群体最优,得到两个子种群的群体最优:粒子群最优值,与进化最优值,转5).5)如果粒子群最优值小于时化最优值,则混合算法的t+1代有比例为r的粒子从子种群R1中较优粒子继承,剩余粒子从R2中较优的粒子继承;反之,会有比例为r的粒子从R2中较优粒子继承(R2中继承的粒子速度随机生成).6)置t=t+1,判断是否t>max,若是,转7),否则转3).7)判断最优适应值是否大于误差ε,若是,调整调整左边界、右边界,扩大搜索范围,转3),否则转8).8)输出最优适应值与最优位置.为了验证混合算法在求解矩阵广义逆的有效性及实用性,本文利用混合算法求解两个矩阵的广义逆进行仿真.混合算法的参数设置为:群体大小N=100;粒子群算法的惯性权重ω=0.6;粒子群算法中的加速因子c1=0.95,c2=0.95;差分算法中的交叉率CR=0.7;混合算法中从两个子种群中的择优比率r=0.5.由广义逆定义中的四个条件,把四对对应矩阵的相应元素之差的绝对值之和作为混合算法的适应值函数.取矩阵A中各元素绝对值之和4为混合算法粒子的初始右边界值,相反数-4作为初始左边界值,如果在初始边界内没有找到合适的解,我们就按倍数逐步扩大搜索范围.我们把迭代次数设为max=100.由广义逆定义知,A +是一个3×2矩阵,不妨设元素分别为a11,a12,a13,a21,a22,a23,故我们设混合算法的维数为6.实验结果如表1和图1所示.表1和图1分别是混合算法求解矩阵A的广义逆A+中各元素值及相应误差和适应值函数值随迭代次数变化的曲线.可以看出,算法的搜索精度较高,算法的收敛速度较快.同例1,仍然取四对对应矩阵的对应元素之差的绝对值之和作为混合算法的适应值函数,也取矩阵A中各元素绝对值之和6作为混合算法中粒子的初始右边界,相反数-6作为初始右边界.同样的,如果没有在初始边界内寻找到期望的粒子,可以逐步增大搜索区域.最大迭代次数max=100.由广义逆的概念我们知道,A+是一个2×3的矩阵,所以取混合算法的维数为6,广义逆A+中元素分别为a11,a12,a21,a22,a31,a32.实验结果如表2和图2所示.由表2和图2可以看出,算法的搜索精度较高,算法的收敛速度较快,大约在第40次迭代时就已经收敛.为了求解矩阵的Penrose广义逆,本文把求解Penrose广义逆的四个等式条件转换为一个优化问题,进而用粒子群与差分混合算法求解转换后的优化问题,得到原矩阵的广义逆.并在混合算法中提出用动态扩大搜索区域策略来达到可以搜索到最优解的条件.实验仿真结果说明,混合算法求解矩阵Penrose广义逆是可行的.但搜索精度还不够高,尤其是维数较大的矩阵,智能算法求解矩阵Penrose广义逆还需要更多的学者做进一步的研究.【相关文献】[1]邹菳,雷红轩,罗兰,等.格值矩阵的逆及广义逆[J].内江师范学院学报,2009,24(6):22-25.[2]陶玉娟,宋旭霞.Moore-Penrose广义逆与逆矩阵的性质比较[J].呼伦贝尔学院学报,2005,13(1):97-98.[3]雷红轩,潘超.格值有限自动机及其性质[J].内江师范学院学报,2006,21(4):9-12. [4]雷红轩,彭家寅,牟廉明.取值于R+的模糊自动机及其在动态规划中的应用[J].内江师范学院学报,2007,22(6):33-35.[5]史静平,章卫国,李广文,等.基于粒子群优化算法的广义逆控制分配方法[J].计算机应用研究,2009,26(10):3735-3737,3757.[6]丘文千.基于广义逆和函数变换的优化算法与应用[J].中国电力,2010,43(1):30-33. [7]苏育才,姜翠波,张跃辉.矩阵理论[M].北京:科学出版社,2006.[8]廖平.用粒子群优化算法计算点到复杂曲面最短距离的问题[J].计算机仿真,2009,26(8):176-178.[9]常桂娟.改进粒子群算法在作业车间调度问题中的应用[J].四川师范大学学报,2009,32(1):139-142.[10]Kennedy J,Eberhart R.C.Particle swarm optimization.Proc.IEEE International Conference on Neural Networks(Perth,Australia)[C].IEEE Service Center,Piscataway,NJ,IV,1995:1942-1948.[11]Shi Y,Eberhart R C.A Modified Particle Swarm Optimizer[C]//Proceeding of the IEEE CEC.Piscataway USA:IEEE Servic Center,1998:69-73.[12]Rainer Storn,Kenneth Price.Differential Evolution-A simple and Efficient Heuristic for Global Optimization over continuous Spaces[J].Journal of Global Optimization,1997,11(4):341-359.[13]傅英定,成孝予,唐应辉.最优化理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2008.。

关于正规矩阵的判定_陈惠汝

关于正规矩阵的判定_陈惠汝

2009年 9 月 Journal of Science of Teachers′College and University Sep. 2009文章编号:1007-9831(2009)05-0087-03关于正规矩阵的判定陈惠汝,刘红超(黄冈师范学院 数学与信息科学学院,湖北 黄冈 438000)摘要:对角矩阵、Hermite 矩阵、反Hermite 矩阵、酉矩阵、对称矩阵、反对称矩阵、正交矩阵都是正规矩阵,所以正规矩阵作为一个更为广泛的矩阵类,有必要对它的判定条件进一步研究.由正规矩阵的定义、矩阵对角化、特征值与特征向量、矩阵实部和虚部、矩阵分解、谱分解等方面给出了正规矩阵的一些判定条件.关键词:正规矩阵;Schur 定理;对角化;特征向量;谱分解中图分类号:O151.21 文献标识码:A定义1[1]71 设n n ij a ×=)(A 为一复矩阵,即n M ∈A ,若**AA A A =,则称A 为复正规矩阵,其中T A A *=.类似地,若n n ij a ×=)(A 为一实矩阵,即)(R n M ∈A ,若=A A T T AA ,则称A 为实正规矩阵.显然,对角矩阵,Hermite 矩阵(A A *=),反Hermite 矩阵(A A *−=),酉矩阵(1−=A A *)都是复正规矩阵;对称矩阵(A A =T ),反对称矩阵(A A −=T ),正交矩阵(1T −=A A )都是实正规矩阵,所以正规矩阵是比以上几类矩阵范围更为广泛的矩阵类.定义2[1]78 21)(y y *是n C ∈y 的Euclid 长度. 本文分别从正规矩阵的定义、矩阵对角化及特征值特征向量、矩阵实部和虚部、矩阵分解及谱分解几个部分分析给出正规矩阵的充分必要条件.引理1 (Schur 定理)[1]57已知n M ∈A 有特征值n λλλ , , ,21L ,它们按任意规定的次序排列,那么存在一个酉矩阵n M ∈U ,使得()ij t ==T AU U *是具有对角元n i t i ii , ,2 ,1 ,L ==λ的上三角矩阵,即每个方阵A 酉等价于其对角元依次是A 的特征值的三角矩阵.此外,如果)(R n M ∈A ,且A 的所有特征值都是实数,那么,可选择U 为实正交矩阵.根据正规矩阵的定义,可以得出几个充分必要条件: 命题1 矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当I A α+是正规矩阵,其中C ∈α是给定的,I 是单位矩阵. 命题2 矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当对所有n C ∈y ,Ay 与y A *的Euclid 长度相同.证明 必要性.由Ay A y Ay Ay Ay ∗∗==*2)(,y AA y y A y A y A **==∗***2)(,又因为A 是正规矩阵,则**AA A A =,从而22y A Ay ∗=,y A Ay ∗=,即Ay 与y A *的Euclid 长度相同.充分性.因为Ay 与y A *的Euclid 长度相同,所以[][]21*21*)()(y A y A Ay Ay **=,即y AA y Ay A y ∗∗∗∗=,从而0)(=−∗∗∗y AA A A y ,由y 的任意性知0**=−AA A A ,则A 是正规矩阵. 证毕.命题3 已知矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当对所有n C ∈y x ,有)()()()(**y A x A Ay Ax **=.证明 必要性.假设矩阵n M ∈A 是正规矩阵,则**AA A A =,===∗∗∗∗Ay A x y AA x Ay Ax )()(*)()(*y A x A ∗∗.收稿日期:2009-01-14作者简介:陈惠汝(1978-),女,湖北英山人,讲师,硕士,从事基础数学教学与研究.E-mail:chenhuiru@充分性.y AA x Ay Ax ∗∗=)()(*,)()(*y A x A ∗∗y AA x ∗∗.由)()()()(**y A x A Ay Ax **=,则知Ay A x y AA x ∗∗∗∗=,0)(=−∗∗∗y AA A A x ,由y x ,的任意性知∗∗−AA A A ,则A 是正规矩阵. 证毕.命题4 )(C n M ∈A 是正规矩阵的充分必要条件是0≥−∗∗A A AA .证明 必要性.若A 是正规矩阵,由定义知*AA A A *=,即0=−∗∗A A AA ,从而0≥−A A AA **. 充分性.若0≥−A A AA **,即A A AA ∗∗−半正定,由0)(tr =−∗∗A A AA ,从而0=−∗∗A A AA ,即A 是正规矩阵. 证毕.从正规矩阵的对角化,特征向量方面分析可给出如下充分必要条件:定理1[2]58 n 阶复方阵A 是正规矩阵的充分必要条件是A 与对角矩阵酉相似,即存在n 阶酉矩阵U ,使得=AU U *) , , ,(diag 21n λλλL ,其中n λλλ , , ,21L 是A 的n 个特征值.定理2[3]148设)(R n M ∈A ,A 为正规矩阵的充分必要条件是存在实正交矩阵n n ×∈R Q ,使得 AQ Q T ⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎝⎛=k A A 0000001L O O M M O O L )(R n M ∈, 其中n k ≤,每个j A 是实11×矩阵或形如⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=j j j j j αββαA 22×∈R .推论1 设n λλλ , , ,21L 为n 阶复矩阵)(ij a =A 的特征值,则A 是复正规矩阵的充分必要条件是 2121,∑∑===n i i n j i ij a λ)(tr *AA =.推论2 n 阶复矩阵A 是正规矩阵的充分必要条件是*AA 的全部特征值为22221 , , ,n λλλL ,其中i λ为A 的特征值.推论1,2的证明必要性由定理2可得,充分性由引理1的Schur 定理可得.推论3 矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当A 的每个特征向量也是*A 的一个特征向量.证明 必要性.由定理1,存在n 阶酉矩阵U ,使得=AU U *) , , ,(diag 21n λλλL ,其中n λλλ , , ,21L 是A 的n 个特征值.则) , , ,(diag 21n λλλL =∗U A U *.把U 按列分块) , , ,(21n U U U L =U ,从而有i i i U AU λ=,i i i U U A λ=∗(n i , ,2 ,1L =),即A 与*A 有相同的特征向量.充分性显然. 证毕. 推论4 矩阵n M ∈A 是正规矩阵的充分必要条件是,A 有n 个相互正交的单位向量作为它的特征向量.证明 由定理1可知命题成立. 证毕. 推论5 矩阵n M ∈A 是给定的矩阵,则A 是正规矩阵,当且仅当存在次数至多为1−n 的多项式)(λf ,)(λg ,使得)(*ΑA f =,)(*A A g =.证明 必要性.因为A 是复正规矩阵,故由定理1知存在酉矩阵U ,使得*U U A ) , , ,(diag 21n λλλL =. 不妨设s λλλ , , ,21L 为所有彼此不同的根,当然s λλλ , , ,21L 也彼此不同,令)())(()()())(()()(1111111s i i i i i i s i i s i ig λλλλλλλλλλ−−−−−−−−=+−+−=∑L L L L ,易验证A U U A *==∗) , , ,(diag )(21n g λλλL .充分性显然成立. 证毕. 命题5[3]145 矩阵n M ∈A 是正规矩阵的充分必要条件是,存在由A 的n 个特征向量组成的标准正交基. 命题6 矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当它与一个具有互异特征值的正规矩阵可交换.从正规矩阵的实部和虚部分析可得:命题7 定义)(5.0)(*A A A +=H 为n M ∈A 的Hermite 部分,而)(5.0)(*A A A −=S 为A 的斜Hermite 部分,那么A 是正规矩阵当且仅当)(A H 与)(A S 可交换.证明 必要性.由定义[]22**)(25.0)(5.0)(5.0)()(∗∗∗−+−=−+=A A A AA A A A A A A A S H ,第5期 陈惠汝,等:关于正规矩阵的判定 89 =)()(A A H S []22**)(25.0)(5.0)(5.0∗∗∗−−+=+−A A A AA A A A A A .若A 是正规矩阵,由定义知*AA A A *=,可知[])()()(25.0)()(22A A A A A A H S S H =−=∗. 充分性显然成立. 证毕. 命题8[4]148 矩阵)(C n M ∈A ,设21)(A A A *=,则A 是正规矩阵的充分必要条件是+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=2*22A A A 2*i 2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−A A 命题9[4]148 *2AA B =设,A A C *=2,则A 是正规矩阵的充分必要条件是C B ,与A 的实部2*A A +可交换.从正规矩阵的分解谱分解分析有:定理3[5]127 设n 阶复矩阵A 有r 个相异的特征值r λλλ , , ,21L ,则A 为正规矩阵的充分必要条件是存在r 个矩阵r E E E , , ,21L ,使得j r j j E A ∑==1λ,*2j j j E E E ==,0=k j E E (k j ≠),I E =∑=rj j 1;n j =)(rank E ,且满足上述性质的j E 是唯一的.命题10[4]148 )(C n M ∈A 是正规矩阵的充分必要条件是对任意自然数k ,存在正规矩阵B ,使得k B A =. 命题11[4]148 )(C n M ∈A 是正规矩阵的充分必要条件是,A 可分解为UH HU A ==,U 为酉矩阵,H 为半正定Hermite 矩阵. 命题12[4]148 矩阵n M ∈A 是正规矩阵,当且仅当酉等价于A 的每一个矩阵都是正规矩阵. 命题13[6]31 设n n ij a ×=)(A 是实正规矩阵的充分必要条件是∑∑===nk kj ki n k jk ik a a a a 11(n j i , ,2 ,1 ,L =).参考文献:[1] Horn R A .矩阵分析[M].杨奇,译.北京:机械工业出版社,2005.[2] 罗家洪.矩阵分析引论[M].广州:华南理工大学出版社,1993.[3] 陈景良,陈向晖.特殊矩阵[M].北京:清华大学出版社,2000.[4] 李润英,刘文浩.论正规矩阵的充分必要条件[J].烟台师范学院学报,2002,18(2):148.[5] 王朝瑞,史荣昌.矩阵分析[M].北京:北京理工大学出版社,1989.[6] 包霞.关于实正规矩阵[J].西北民族学院学报,1999,20(3):31.The determining conditions of normal matricesCHEN Hui-ru ,LIU Hong-chao(School of Mathematics and Information Science ,Huanggang Normal University ,Huanggang 438000,China )Abstract :Diagonal matrix ,hermite matrix ,skew-Hermitian matrix ,unitary matrix ,symmetric matrix ,skew-symmetric matrix ,orthogonal matrix are normal matrices .Normal matrices so formal as a wider range of matrices ,it is necessary to determine the conditions for its further study .The determining conditions of normal matrices was disussed in aspects of definition ,matrix diagonalization ,eigenvalue and eigenvector ,matrix realand and imaginary parts ,matrix decomposition and prover vector.Key words :normal matrices ;Schur theorem ;diagonalization ;eigenvector ;proper vector。

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Any decomposition of a matrix A, as describe in Lemma 1.2(a), is called a unitary diagonal decomposition of a normal matrix. In this paper, we assume that the matrix A ∈ C n×n is a normal matrix with a unitary diagonal decomposition (1.1) and denote by Σ = diag (λ1 , · · · , λr ), where λi = λi + iλi , (i = 1, · · · , r) are the nonzero eigenvalues of A.
X21 K = X21 K from which we conclude that K −1 ΣX = Y O s r−s
s , X21 K = (Z
r−s O) .
12
Therefore X12 = Σ−1 K
Y O
,
X21 = (Z
O ) K −1 ,
(2.7)
where Y, Z are arbitrary submatrices of suitable size. Substituting in (2.5), the expressions for X21 , X12 given in (2.7), we get X22 = ZY .
n×n be a normal matrix. Then any {1, 2}-inverse is given by Corollary 2.1 Let A ∈ Cr
V ∗ XV =
(a) Using the unitary diagonal decomposition of A, we have that X ∈ A{1} if and only if Σ O O O X11 X21 X12 X22 Σ O O O = Σ O O O .
Hence, X11 = Σ−1 and X12 , X21 , X22 are arbitrary matrices of suitable size. (b) Similarly, X satisfies XAX = X if and only if X11 ΣX11 X21 ΣX11 i.e. X11 ΣX11 = X11 X11 ΣX12 = X12 X21 ΣX11 = X21 X21 ΣX12 = X22 3 (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) X11 ΣX12 X21 ΣX12 = X11 X21 X12 X22 ,
by its Schur decomposition.
Keywords:
Schur decomposition; normal matrix; generalized inverse.
1
Introduction
Let C n×m denote the set of all complex n × m matrices. By A∗ we denote the conjugate

Σ− 1 X21 Σ− 1 K
X12 X22 Is
V ∗, O Y O
V ∗,
(b)
A(2) = V
O O ( Z O ) K −1
K −1
Σ− 1 K ZY
where X12 ∈ C r×(n−r) , X21 ∈ C (n−r)×r , X22 ∈ C (n−r)×(n−r) , Y ∈ C s×(n−r) and Z ∈ C (n−r)×s are arbitrary submatrices and 0 ≤ s ≤ r. Proof. Let X ∈ C n×n be given by r n−r X11 X12 X21 X22 r n−r (2.1)
n×n the set of all matrices A ∈ C n×n such that transpose matrix of A ∈ C n×m and by Cr
rank (A) = r. In denotes the unit matrix of order n. Let us recall that the Moore-Penrose inverse of A ∈ C n×m is the unique matrix A† ∈ C m×n which satisfies (1) AA† A = A, (2) A† AA† = A† , (3) (AA† )∗ = AA† , (4) (A† A)∗ = A† A.
gular matrix K ∈ C r×r such that B=K Is O O O K −1 .
n×n be a normal matrix. Then all matrices A(1) , A(2) are given by Theorem 2.1 Let A ∈ Cr
(a)
A(1) = V
For any A ∈ C n×m , let A{i, j, ..., l} denote the set of matrices X ∈ C m×n which satisfy equations (i), (j ), ..., (l) from among the equations (1), (2), (3), (4). A matrix X ∈ A{i, j, ..., l} is called an {i, j, ..., l}-inverse of A, and also denoted by A(i,j,...,l) . All of these matrices are called the generalized inverse of A. Generalized inverses of matrices are widely applied in many fields, for example, in numerical analysis, network theory, mathematical statistics, optimization problems. The Drazin inverse of A ∈ C n×n is the matrix X , denoted by AD ∈ C n×n which satisfies Ak+1 X = Ak , XAX = X, AX = XA, for some nonnegative integer k . The least such k is the index of A, denoted by ind(A). Also, the index of A can be defined as the least nonnegative integer k such that rank (Ak ) = rank (Ak+1 ).
Generalized inverse of a normal matrix
Bing Zhenga , Lijuan Yea , Dragana S. Cvetkovic-Ilifor generalized inverses of a normal matrix are discussed
Multiplying equation (2.2) with Σ from the left side, we get (ΣX11 )2 = ΣX11 . Now, by Lemma 2.1, it follows that there exists a nonsingular matrix K ∈ C r×r such that ΣX11 = K where 0 ≤ s = rank (X11 ) ≤ r. Hence, X11 = Σ−1 K Now, equations (2.3) and (2.4) have the form Is O O O K −1 ΣX12 = K −1 ΣX12 Is O O O (2.6) Is O O O K −1 . Is O O O K −1 ,
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When k = 1, X is called the group inverse of A. Drazin inverses [5] provide solutions for systems of linear differential equations and linear difference equations. In [1] singular value decompositions are used to obtain formulae for the generalized inverse of a matrix A. Recently, [2] studies expressions for generalized inverses of a real symmetric matrix by means of congruence decompositions. In this paper, we discuss expressions for generalized inverses of a special class of matrices, normal matrices, using their Schur decomposition. Remark that the class of normal matrices is very important in matrix analysis. First, we will state the definition of normal matrices and the Schur decomposition theorem. Definition 1.1 A ∈ C n×n is a normal matrix if A∗ A = AA∗ .
(1) (2)
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General expressions for {1}, {2}, {1, 2}−inverses
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