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?
- 若 列满秩,则 有左逆,.
- 若 行满秩,则 有右逆 .
- 对于一般的矩阵 ,有满秩分解 ,可否定义 的逆为 ?
Moore-Penrose 广义逆
设 ,若存在矩阵 ,使得
-
-
-
-
则称 为 的 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)
设 ,则 的 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:
- 设 均为 的 M-P 逆.
-
- 同理可证 .
- 于是 .
M-P 逆的性质 (2)
- 若 为可逆的方阵,则 .
- 若 ,则 .
- .
- .
- .
- .
M-P 逆的性质 (3)
- 若 列满秩,则 .
- 若 行满秩,则 .
- 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)
- .
- .
- 若 或 ,则 .
提示:
M-P 逆的性质 (5)
若 均为酉矩阵,则 .
提示:
设 的满秩分解为 .
- 注意到 和 分别行满秩和列满秩,故
- .
-
- 同理 .
- .
M-P 逆的性质 (6)
M-P 逆的性质 (7)
- ,, 和 均为幂等矩阵.
注:
,则称 为 幂等矩阵 (Idempotent Matrix)
- 幂等矩阵的特征值均为 或 .
- .
- 为幂等阵,当且仅当 为幂等阵.
- .
注: 一般来说, 不等于 或 .
5.1.2 广义逆的计算
满秩分解法
奇异值分解法
满秩分解法
- 先求 的满秩分解: .
- 再计算 的左逆和 的右逆,
- .
例 , ,试求 , 和 .
提示
注: 若
- 注意到 且 ,
- 故 且 .
- 令 ,可以验证 满足 M-P 逆的定义,
- 故 .
例 ,求 .
解:
的Hermite标准形 .
- 的满秩分解 .
- .
- .
例 设 可逆,
求 .
奇异值分解法
- 设 的奇异值分解 ,
- 由 M-P 逆的性质 .
例 已知 的奇异值分解
5.2 广义逆在解线性方程组中的应用
设 , , ,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 设 ,,,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 是 的解,则存在 ,使得
注:
- 由第一部分的证明可知 是 的特解.
- 由定理可知 是齐次方程组 的通解.
- 根据
非齐次线性方程组解的结构
性质:
例 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
- 假设有一个
线性系统
,
- 每次输入一个向量 ,
- 对应的输出为线性组合 .
- 的行为完全由系统参数 决定.
- 为了求得系统参数,重复进行 次试验,记录系统的输入和输出.
- 理论上 是相容的, 但由于存在观测误差,实际观测到的 并不等于真实的输出 .
最小二乘问题
问题:
如何/可否根据 尽可能精确地推算出线性系统 的参数 ?
- 等价说法:对不相容的方程组,能否拓广解的概念,使其“有解”?这样的解有何意义?
- 数学描述:已知 ,,求 ,使得 .
- 如果以上的 存在,则称其为是方程组 的 最小二乘解 (Least-Squares Solution)
分析
- 记 .
- 若 是相容的,则 .
- 若 是不相容的,则 .
- 此时,最小二乘解表示 中与 “距离最近”的点所对应的 .
- 几何上看,应该满足 .
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 .

定理 设 ,,,则方程组 的全部最小二乘解为
首先证明:
是 的最小二乘解.
- 对任意 ,
- 由勾股定理,
-
- 也即 是 的最小二乘解.
进一步证明
:若 是 的最小二乘解,则存在 ,使得 .
- 因为 是 的最小二乘解,故 .
-
- 从而可知 ,即 .
- 这说明 是 的解.
- 故存在 ,使得 .
- 即 .
例 设
(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
- .
- 当 时,方程组 不相容.
- 的满秩分解 .
- .
- .
极小范数最小二乘解
若 是 的最小二乘解,且满足
则称 是方程组 的 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 .
例
(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)
- 其中 为矩阵的某个诱导范数.
- 条件数一般用来度量输入的微小误差对输出结果可能产生的影响程度.
- 条件数偏大,意味着求解 相关的最小二乘解时,可能存在某种
病态
(ill-conditioned)的情况,
- 即: 中的微小误差可能会导致最小二乘解解的较大偏差.
小结
A Brief History of M-P Inverse
- was independently described by
- E. H. Moore in 1920
- Arne Bjerhammar in 1951
- Roger Penrose in 1955
- Erik Ivar Fredholm introduced the concept of a
pseudoinverse
(伪逆) of integral operators in 1903.
Roger Penrose (1931-)
- English mathematical physicist, mathematician and philosopher of science
- Emeritus Rouse Ball Professor of Mathematics at the University of Oxford and an emeritus fellow of Wadham College, Oxford
- contributions to
- the mathematical
physics of general relativity and cosmology
- shared with
Stephen Hawking
for the Penrose–Hawking singularity theorems

- 1955, A Generalized Inverse for Matrices." Proc. Cambridge Phil. Soc. 51, 406-413, 1955
- 1958, Tensor methods in algebraic geometry, for Ph.D in Cambridge
- 1965, with Hawking, Gravitational collapse and space-time singularities
- 证明了 奇点(例如黑洞)可以从毁坏中的巨星体的重力坍缩现象中形成
- 1967, invented the twistor theory
- 1974, discover Penrose tilings
- 1979, formulated strong censorship hypothesis

娱乐数学家与具争议性的哲学家
- Roger Penrose,
The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics
, 1989
- known laws of physics are inadequate to explain the phenomenon of consciousness
认为
作为一种算法确定性的系统,当前的电子计算机无法产生智能
反对
认为大脑的推理过程是完全的图灵可计算的观点
声称
意识是超越数理逻辑的,因为诸如停机问题的不可解性质和哥德尔不完备定理导致基于算法的逻辑系统不能产生具有人类智能特性的智能(比如,对数学的洞见)
- 受到了来自数学家、计算机科学家和哲学家的广泛批评
- Marvin Minsky:“在科学探索的道路上,仅靠攻击现有的科学知识将无法获取新的原理。但在我看来,这就是彭罗斯的探索手段”
Penrose Tilings

