线代 #线代#数学

笔记4.矩阵空间与向量空间的同构

Shane Lorien

对一个向量,我们把它看做 个坐标,构建从向量到 个坐标的同构。 矩阵实际上也就是向量的堆叠,那类似的我们把它看做 个向量,也可以构建同构。

矩阵的展开 (Matrix Vectorization)

  • 列展开 :将 矩阵 的元素自左向右、一列一列地排列成一个 维列向量。

    • 示例:若 ,则 。
  • 行展开 :类似地,将矩阵按行顺序排列成一个行向量。

    • 示例:对于上述矩阵,。

这显然是同构,也就是说,我们完全可以把矩阵看成一个超级向量。


Kronecker 积 (Kronecker Product)

定义

设矩阵 ,矩阵 。它们的 Kronecker 积(也称张量积)记为 ,是一个 的分块矩阵:

即用 的每个元素 乘以矩阵 得到的分块矩阵。

关键性质

  • 非交换性:一般情况下,。

  • 结合律:。

  • 特殊情形:当 为列向量且 为行向量时(或反之),在特定维度下可能满足 。


运算示例

基础计算

若 ,,则:

向量间的积

若 ,,则:

  • -

    (此处直观展示了顺序不同导致的结果差异)


4. 混合乘积公式 (Mixed-Product Property)

这是 Kronecker 积最重要的性质之一,联系了普通矩阵乘法与张量积:

  • 前提条件:矩阵乘法 和 必须有意义(即 的列数等于 的行数, 的列数等于 的行数)。

  • 推导逻辑:通过分块矩阵乘法规律可以证明,左侧展开后的子块项 正好对应右侧 的构造。

Kronecker 积的核心性质

  • 结合律:

  • 混合乘积公式:

  • 逆矩阵:

  • 转置:- 正交性保持:若 是正交矩阵,则 也是正交矩阵。


代数特征(秩、行列式、特征值)

  1. 秩: 2. 行列式:设 为 阶方阵, 为 阶方阵,则

  2. 特征值:

    • 设 的特征值为 , 的特征值为 。

    • 的特征值为 。

    • Kronecker 和 的特征值为 。


特殊实例:Hadamard 矩阵的构造

利用 Kronecker 积可以递归构造特殊的正交矩阵(如 Hadamard 矩阵):

  • -- … 以此类推。

矩阵列展开的核心定理

这是连接矩阵方程与线性方程组的桥梁:

定理:

证明逻辑拆解:

  1. 左乘变换:。这说明 对 的左乘对应于列展开后的块对角阵相乘。

  2. 右乘变换:。注意此处 需要转置。

  3. 合成结论:通过结合律 ,利用混合乘积公式化简为 。


线性变换的矩阵表示

设 是矩阵空间 上的线性变换:

  • 在标准基 (即按列展开排序)下,该线性变换对应的矩阵正是 。

  • 直观理解:

    • 作用于 的行变换。

    • 作用于 的列变换。


线性矩阵方程的向量化求解

基于前文的列展开性质,可以将复杂的矩阵方程转化为标准的线性方程组形式。

  • 推论: 是矩阵方程 的解,当且仅当其列展开 满足:

其中 分别为 级方阵,。

  • 本质:这利用了 Kronecker 积将矩阵算子“拉直”为算子矩阵,使得我们能用经典的线性代数工具(如高斯消元法)来处理矩阵方程。

张量积空间 (Tensor Product Space)

将张量积从矩阵运算上升到线性空间的构造。

  • 定义:设 是两个线性空间,集合

构成一个线性空间,称为 与 的张量积空间,记为 。

  • 基与维数:

    • 若 是 的基, 是 的基。

    • 则所有可能的组合 构成 的一组基。

    • 结论:,即张量积空间的维数是原空间维数的乘积。


线性变换的张量积

这是张量积在算子层面的推广。

  • 定义:设 ,定义线性变换 为:

该变换称为变换 与 的张量积。

  • 矩阵表示:

    若 在基 下的矩阵为 , 在基 下的矩阵为 ,则线性变换 在 的基 下的矩阵恰好就是 。

这些东西实际上是可以简化结构,让我们更清楚地看到矩阵的,例如我们可以看一些问题:


题目:矩阵方程解空间的性质证明

设 分别是 级方阵,且 ,。证明:

是矩阵空间 的子空间,且 。


1. 证明 是子空间

根据子空间的定义,需验证对加法和数乘的封闭性:

  • 加法封闭性:设 ,则有 且 。

故 。

  • 数乘封闭性:设 ,则:

故 。

由此可知,$ W $ 是 $ M_{m,n}(K)$ 的子空间。

2. 证明

这里使用了**列展开(Vectorization)**和 Kronecker 积 的性质将矩阵问题转化为线性方程组问题。

(1) 方程转化

利用恒等式 ,原矩阵方程 等价于线性方程组:

其中, 是一个 维的列向量,系数矩阵为 ,其规模为 。

(2) 确定系数矩阵的秩

根据 Kronecker 积关于秩的性质:

由于矩阵转置不改变秩,且已知 ,则:

(3) 利用维数公式

子空间 的维数等价于上述齐次线性方程组解空间的维数。根据线性方程组解空间的维数公式( 维空间减去系数矩阵的秩):

解空间

证毕。

题目:矩阵变换 的特征值与对角化证明

设 分别是 阶复矩阵,其特征值分别为 与 。

定义映射 :


1. 证明 是线性变换

根据线性变换的定义,需满足加法与数乘的齐次性:

  • 线性度验证:利用矩阵乘法的分配律与结合律:

故 是 上的线性变换。


2. 求变换 的所有特征值

利用列展开(Vectorization),我们将 转换为向量形式:

根据公式 ,提取 得到变换矩阵 :

  • 特征值计算:

    已知 的特征值为 ,(及 )的特征值为 。

    根据 Kronecker 积的性质,特征值的对应关系为:

    • 的特征值为 - 的特征值为 - 的特征值为 由于这些项在同一组基(由 和 的特征向量构成的张量积基)下可以同时三角化,因此变换 的特征值为:

3. 对角化证明与特征向量

证明:

  1. 前提条件:已知 和 可对角化。这意味着 有 个线性无关的特征向量 , 有 个线性无关的特征向量 (注意 可对角化则 亦然,且特征值相同)。

  2. 构造变换 的特征向量:

    在张量积空间 中,变换 的特征向量对应的“矩阵形式”为:

或更简单地记为与的左特征向量的积

更严谨地说,若 ,且 是 的特征向量(满足 并不直观,这里通常看作 的映射关系)。

  1. 结论:

    由于我们能构造出 个形如 的线性无关特征向量,而空间 的维数恰好也是 ,特征向量集构成了空间的一组基。

    故 可对角化。

  • 的特征向量(矩阵形式):

    即满足 的矩阵。若 且 (即 是 的左特征向量),则: