【MIT线性代数】【lec4】分解为a = lu


线性代数第四讲:矩阵乘法与逆矩阵

一、矩阵乘法与逆矩阵

1. 矩阵乘法的逆

  • 问题:已知矩阵 AABB 的逆矩阵,求 ABAB 的逆矩阵。
  • 结论(AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}
    • 验证

AB×B1A1=A(BB1)A1=AIA1=AA1=IAB \times B^{-1}A^{-1} = A(BB^{-1})A^{-1} = AIA^{-1} = AA^{-1} = I

同理,从右侧验证:

B1A1×AB=B1(A1A)B=B1IB=B1B=IB^{-1}A^{-1} \times AB = B^{-1}(A^{-1}A)B = B^{-1}IB = B^{-1}B = I

2. 矩阵转置的逆

  • 问题:已知矩阵 AA 的逆矩阵,求 ATA^T 的逆矩阵。
  • 结论(AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T
    • 验证

AT×(A1)T=(A1A)T=IT=IA^T \times (A^{-1})^T = (A^{-1}A)^T = I^T = I

二、高斯消元法与矩阵分解

1. 高斯消元法

  • 目标:通过行操作将矩阵 AA 化为上三角矩阵 UU
  • 步骤
    1. 使用消元矩阵 E21E_{21} 将第二行的第一个元素化为零。
    2. 使用消元矩阵 E31E_{31} 将第三行的第一个元素化为零。
    3. 使用消元矩阵 E32E_{32} 将第三行的第二个元素化为零。
  • 矩阵形式

E32E31E21A=UE_{32}E_{31}E_{21}A = U

2. 矩阵分解 A=LUA = LU

  • 定义:将矩阵 AA 分解为下三角矩阵 LL 和上三角矩阵 UU 的乘积。
  • 构造方法
    • UU 是通过高斯消元法得到的上三角矩阵。
    • LL 是消元矩阵的逆矩阵的乘积,即 L=E211E311E321L = E_{21}^{-1}E_{31}^{-1}E_{32}^{-1}
  • 示例
    • 矩阵 AA

A=[2187]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 8 & 7 \end{bmatrix}

  • 消元步骤
    1. E21E_{21} 将第二行的第一个元素化为零:

E21=[1041]E_{21} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ -4 & 1 \end{bmatrix}

E21A=[2103]=UE_{21}A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{bmatrix} = U

2. $L$ 是 $E_{21}$ 的逆矩阵:

L=E211=[1041]L = E_{21}^{-1} = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 1 \end{bmatrix}

3. 验证:

A=LU=[1041][2103]=[2187]A = LU = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 8 & 7 \end{bmatrix}

3. 矩阵分解的扩展形式 A=LDUA = LDU

  • 定义:将矩阵 AA 分解为下三角矩阵 LL、对角矩阵 DD 和上三角矩阵 UU 的乘积。
  • 示例
    • 矩阵 AA

A=[2187]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 8 & 7 \end{bmatrix}

  • 分解

L=[1041],D=[2003],U=[10.501]L = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 1 \end{bmatrix}, \quad D = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{bmatrix}, \quad U = \begin{bmatrix} 1 & 0.5 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}

A=LDU=[1041][2003][10.501]A = LDU = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 4 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 0.5 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}

三、矩阵分解的计算复杂度

1. 消元法的计算量

  • 问题:计算矩阵 AA 的消元步骤所需的计算量。
  • 分析
    • 第一步:处理 n×nn \times n 矩阵,计算量约为 n2n^2
    • 第二步:处理 (n1)×(n1)(n-1) \times (n-1) 矩阵,计算量约为 (n1)2(n-1)^2
    • 以此类推,总计算量为:

n2+(n1)2+(n2)2++12n^2 + (n-1)^2 + (n-2)^2 + \dots + 1^2

  • 近似结果:总计算量约为 13n3\frac{1}{3}n^3

2. 右端向量 bb 的计算量

  • 问题:计算右端向量 bb 的消元步骤所需的计算量。
  • 结论:总计算量约为 n2n^2

四、置换矩阵

1. 置换矩阵的定义

  • 定义:置换矩阵 PP 是通过交换单位矩阵 II 的行得到的矩阵。
  • 性质
    • 置换矩阵的逆矩阵等于其转置矩阵,即 P1=PTP^{-1} = P^T
    • 置换矩阵的乘积仍然是置换矩阵。

2. 置换矩阵的数量

  • 数量:对于 n×nn \times n 矩阵,有 n!n! 个置换矩阵。
  • 示例
    • 3×3 置换矩阵

P=[010100001]P = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

P1=PT=[010100001]P^{-1} = P^T = \begin{bmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

五、总结

  • 矩阵乘法与逆矩阵
    • (AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}
    • (AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T
  • 高斯消元法与矩阵分解
    • A=LUA = LU,其中 LL 是下三角矩阵,UU 是上三角矩阵。
    • A=LDUA = LDU,其中 LL 是下三角矩阵,DD 是对角矩阵,UU 是上三角矩阵。
  • 计算复杂度
    • 消元法的计算量约为 13n3\frac{1}{3}n^3
    • 右端向量 bb 的计算量约为 n2n^2
  • 置换矩阵
    • 置换矩阵的逆矩阵等于其转置矩阵。
    • 对于 n×nn \times n 矩阵,有 n!n! 个置换矩阵。

文章作者: MIKA
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