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@ybtang21c 2021-11-21T13:30:47.000000Z 字数 36865 阅读 2149

5.1 矩阵的广义逆及其应用

高等工程数学 讲义 2021



5.1.1 广义逆的定义与性质

能否推广矩阵逆的概念,使得任何矩阵在某种意义下都可逆?


Moore-Penrose 广义逆

,若存在矩阵 ,使得

则称 Moore-Penrose广义逆(或 M-P广义逆加号逆,Moore–Penrose Inverse),记为 .


M-P 逆的性质 (1)

,则 M-P逆存在且唯一.
1. 若 列满秩,则
2. 若 行满秩,则
3. 若 的满秩分解为 , 则


证明:


M-P 逆的性质 (2)

  1. 为可逆的方阵,则 .
  2. ,则 .
  3. .
  4. .
  5. .
  6. .

M-P 逆的性质 (3)

  1. 列满秩,则 .
  2. 行满秩,则 .
  3. 对任意 ,
    • .
    • .

提示: 证明:若 列满秩,则


对于任意的 ,设 的满秩分解为


M-P 逆的性质 (4)

  1. .
  2. .
  3. ,则 .
    • 注意:以上的 不一定是酉矩阵.

提示:


M-P 逆的性质 (5)

均为酉矩阵,则 .


M-P 逆的性质 (6)


M-P 逆的性质 (7)

  1. 均为幂等矩阵.
    • 注:,则称 幂等矩阵 (Idempotent Matrix)
    • 幂等矩阵的特征值均为 .
    • .
    • 为幂等阵,当且仅当 为幂等阵.
  2. .
    • 提示:
      • .

注: 一般来说, 不等于 .


5.1.2 广义逆的计算

  1. 满秩分解法
  2. 奇异值分解法

满秩分解法

  1. 先求 的满秩分解: .
  2. 再计算 的左逆和 的右逆,
    • .
    • .
  3. .

,试求 .


提示


注:


,求 .



可逆,

.


奇异值分解法

  1. 的奇异值分解 ,
    • 其中 ,
    • 的正奇异值.
  2. 由 M-P 逆的性质 .

已知 的奇异值分解


5.2 广义逆在解线性方程组中的应用

,若方程组

有解,则称该方程组是 相容的 (Consistent/Compatible). 否则称之为 不相容的.


定理,若方程组 是相容的,则其通解为


提示:先证对任意

都是 的解.


再证若 的解,则存在 ,使得


注:


求解线性方程组


提示



5.2.1 广义逆在最小二乘问题中的应用


最小二乘问题


分析


最小二乘解的几何意义

变换 的值空间 中与 距离最近的点 对应的原向量 .

projection.png


定理,则方程组 的全部最小二乘解为


首先证明: 的最小二乘解.


进一步证明:若 的最小二乘解,则存在 ,使得 .


(1) 常数 满足什么条件时, 是不相容的;

(2) 当 不相容时,求其最小二乘解.


提示





极小范数最小二乘解

的最小二乘解,且满足

则称 是方程组 极小范数最小二乘解 (Minimal Norm Least Square Solution)


只需证明:对任意的最小二乘解 ,总有 .


(1) 判断 是否相容;

(2) 若不相容,求 的极小范数最小二乘解.


提示:



矩阵的条件数(Condition Number)


小结


A Brief History of M-P Inverse[1]


Roger Penrose (1931-)[2]

Roger_Penrose.jpg


CNRSblackhole.jpg


娱乐数学家与具争议性的哲学家[3]


Penrose Tilings

1000px-Penrose_Tiling.png

Roger-Penrose-Kachelstruktur.jpg

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