矩陣的秩與跡

記得第一次看到“矩陣的跡”這個概念的時候就懷疑是不是作者的拼寫錯誤,將“矩陣的秩”寫成“矩陣的跡”了。實際上,它們是兩個完全不同的兩個概念。

矩陣的跡

數學定義:n×n矩陣A的對角線元素之和稱爲A的跡(trace),記作tr(A),即有:

tr(A)=a11+...+ann=ni=1aii

矩陣的跡有如下重要性質:

tr(UV)=tr(VU)

根據以上性質,若分別令U=A,V=BC和U=AB,V=C,則有:

tr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)

請思考: tr(ABC)=tr(CBA) ?

類似地,若分別令U=A,V=BCD,U=AB,V=CD,及U=ABC,V=D,則有:

tr(ABCD)=tr(BCDA)=tr(CDBA)=tr(DABC)

請思考: tr(ABCD)=tr(DCBA) ?

這些性質在機器學習的算法中會用到。

矩陣的秩

矩陣Am×n 的秩定義爲該矩陣中線性無關的行數和列數。

秩的性質:

  • 秩是一個正整數。
  • 秩等於或小於矩陣的行數和列數。
  • 當n×n矩陣A的秩等於n時,則稱A是非奇異矩陣,或稱A滿秩。
  • rank(Am×n)<min{m,n} ,則稱A是秩虧缺的。
  • rank(Am×n)=m<n ,則稱矩陣A具有滿行秩。
  • rank(Am×n)=n<m ,則稱矩陣A具有滿列秩。
  • 任何矩陣A左乘滿列秩矩陣或者右乘滿行秩矩陣後,矩陣A的秩保持不變。

參考:

《矩陣分析與應用》(第二版) 張賢達

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