【注】对于相同的特殊运算不同书籍可能使用的符号不同,本文采用与 Wikipedia 相同的符号表示。
1. 直和
1.1 定义
m×m 矩阵 A 与 n×n 矩阵 B 的直和记作 A⊕B,它是一个 (m+n)×(m+n) 的矩阵,定义为
A⊕B=[A0n×m0m×nB]
1.2 性质
-
若 c 为常数,则 c(A⊕B)=cA⊕cB 。
-
直和通常不满足交换性质,A⊕B=B⊕A 当且仅当 A=B 。
-
若 A,B 为 m×m 矩阵,且 C,D 为 n×n 矩阵,则
(A±B)⊕(C±D)=(A⊕C)±(B⊕D)(A⊕C)(B⊕D)=AB⊕CD
- 若 A,B,C 分别是 m×m,n×n,p×p 矩阵,则
A⊕(B⊕C)=(A⊕B)⊕C=A⊕B⊕C
-
若 Am×m 和 Bn×n 均为正交矩阵,则 A⊕B 是 (m+n)×(m+n) 正交矩阵。
-
矩阵直和的复共轭、转置、复共轭转置与逆矩阵(若 A,B 可逆)的关系:
(A⊕B)∗=A∗⊕B∗(A⊕B)T=AT⊕BT(A⊕B)H=AH⊕BH(A⊕B)−1=A−1⊕B−1
2. Hadamard 积
2.1 定义
m×n 矩阵 A=[aij] 与 m×n 矩阵 B=[bij] 的 Hadamard 积(也称为 Schur 积或对应元素乘积)记作 A⊙B(或 A∘B),它仍然是一个 m×n 矩阵,其元素定义为两个矩阵对应元素的乘积:
(A⊙B)ij=aijbij
即 Hadamard 积是一映射 Rm×n×Rm×n↦Rm×n 。
2.2 性质
2.2.1 基本性质
-
A⊙B=B⊙AA⊙(B⊙C)=(A⊙B)⊙CA⊙(B±C)=A⊙B±A⊙C
-
若 A,B 均为 m×n 矩阵,则
(A⊙B)T=AT⊙BT(A⊙B)H=AH⊙BH(A⊙B)∗=A∗⊙B∗
-
A⊙0=0⊙A=0
-
若 c 为常数,则 c(A⊙B)=(cA)⊙B
-
正定(半正定)矩阵 A,B 的 Hadamard 积 A⊙B 也是正定(半正定)的。
2.2.2 其他性质
- 若 A,C 为 m×m 矩阵,B,D 为 n×n 矩阵,则
(A⊕B)⊙(C⊕D)=(A⊙C)⊕(B⊙D)
- 若 A,B,C,D 均为 m×n 矩阵,则
(A+B)⊙(C+D)=A⊙C+A⊙D+B⊙C+B⊙D
- 若 A,B,C 均为 m×n 矩阵,则
tr(AT(B⊙C))=tr((AT⊙BT)C)
2.2.3 不等式性质
- Oppenheim 不等式:A,B 是 n×n 半正定矩阵,则
∣A⊙B∣≥a11⋯ann∣B∣
-
∣A⊙B∣≥∣AB∣
-
特征值不等式:A,B 是 n×n 半正定矩阵,λ1,⋯,λn 是 A⊙B 的特征值,λ1^,⋯,λn^ 是矩阵乘积 AB 的特征值,则
∏i=knλi≥∏i=knλi^, k=1,⋯,n
- 秩不等式:A,B 是 n×n 矩阵,则
rank(A⊙B)≤rank(A)rank(B)
3. Kronecker 积(直积/张量积)
3.1 定义
3.1.1 Kronecker 积
两个矩阵的 Kronecker 积(也称为直积/张量积)分为右 Kronecker 积和左 Kronecker 积。
- 右 Kronecker 积:m×n 矩阵 A=[a1,⋯,an] 和 p×q 矩阵 B 的右 Kronecker 积记作 A⊗B,它是一个 mp×nq 矩阵,定义为:
A⊗B=[a1B,⋯,anB]=[aijB]i=1,j=1m,n=⎣⎢⎢⎢⎢⎡a11Ba21B⋮am1Ba12Ba22B⋮am2B⋯⋯⋱⋯a1nBa2nB⋮amnB⎦⎥⎥⎥⎥⎤
- 左 Kronecker 积:m×n 矩阵 A 和 p×q 矩阵 B==[b1,⋯,bq] 的左 Kronecker 积记作 [A⊗B]left,它是一个 mp×nq 矩阵,定义为:
[A⊗B]left=[Ab1,⋯,Abq]=[bijB]i=1,j=1p,q=⎣⎢⎢⎢⎢⎡Ab11Ab21⋮Abp1Ab12Ab22⋮Abp2⋯⋯⋱⋯Ab1qAb2q⋮Abpq⎦⎥⎥⎥⎥⎤
可以看出,Kronecker 积是一映射:Rm×n×Rm×n↦Rmp×nq,且左右 Kronecker 积满足:
[A⊗B]left=B⊗A
一般常用右 Kronecker 积。
3.1.2 广义 Kronecker 积
给定 N 个 m×r 矩阵 Ai,i=1,⋯,N 组成矩阵组 {A}N 。该矩阵组与 N×l 矩阵 B 的 Kronecker 积称为广义 Kronecker 积,定义为:
{A}N⊗B=⎣⎢⎢⎡A1⊗b1⋮AN⊗bN⎦⎥⎥⎤
其中,bi 是矩阵 B 的第 i 个行向量。
3.2 性质
3.2.1 基本性质
-
不满足交换律:对矩阵 Am×n 和 Bp×q,一般有 A⊗B=B⊗A
-
A⊗0=0⊗A=0
-
若 a,b 为常数,则 aA⊗bB=ab(A⊗B)
-
Im⊗In=Imn
-
对于矩阵 Am×n,Bn×k,Cl×p,Dp×q,有
(AB)⊗(CD)=(A⊗C)(B⊗D)
- 对于矩阵 Am×n,Bp×q,Cp×q,有
A⊗(B±C)=A⊗B±A⊗C(B±C)⊗A=B⊗A±C⊗A
- 对于矩阵 Am×n,Bm×n,Cp×q,Dp×q,有
(A+B)⊗(C+D)=A⊗C+A⊗D+B⊗C+B⊗D
- 对于矩阵 Am×n,Bp×q,Ck×l,有
(A⊗B)⊗C=A⊗(B⊗C)=A⊗B⊗C
(A⊗B)T=AT⊗BT(A⊗B)H=AH⊗BH
3.2.2 其他性质
rank(A⊗B)=rank(A)rank(B)
det(An×n⊗Bm×m)=(detA)m(detB)n
tr(A⊗B)=tr(A)tr(B)
4. Khatri-Rao 积
4.1 定义
两个具有相同列数的矩阵 G∈Rp×n 和 F∈Rq×n 的 Khatri-Rao 积记为 F∗G,它是一个 pq×n 矩阵,定义为:
F∗G=[f1⊗g1,⋯,fn⊗gn]∈Rpq×n
它由两个矩阵对应列向量的 Kronecker 积排列而成(fi 和 gi 分别表示 F 和 G 的列向量),因此 Khatri-Rao 积又称为对应列 Kronecker 积。
4.2 性质
4.2.1 基本性质
-
分配律:(A+B)∗D=A∗D+B∗D
-
结合律:A∗B∗C=(A∗B)∗C=A∗(B∗C)
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交换律:A∗B=Knn(B∗A)
4.2.2 Khatri-Rao 积与 Hadamard 积的关系
-
(A∗B)⊙(C∗D)=(A⊙C)∗(B⊙D)
-
(A∗B)T(A∗B)=(ATA)⊙(BTB)
-
(A∗B)†=[(ATA)⊙(BTB)]†(A∗B)T
4.2.3 Khatri-Rao 积与 Kronecker 积的关系
- (A⊗B)(F∗G)=AF∗BG
5. Face-Splitting 积
5.1 定义
两个具有相同行数的矩阵 G∈Rn×p 和 F∈Rn×q 的 Face-Splitting 积记为 F∗G,它是一个 n×pq 矩阵,定义为:
F∙G=⎣⎢⎢⎡f1⊗g1⋮fn⊗gn⎦⎥⎥⎤∈Rn×pq
它由两个矩阵对应行向量的 Kronecker 积排列而成(fi 和 gi 分别表示 F 和 G 的行向量),因此 Face-Splitting 积又称为对应行 Kronecker 积。
5.2 性质
- (A∙B)T=AT∗BT
其余性质和 Khatri-Rao 类似。
附录