某科技大学研究生矩阵论Matrix6-1课件

第6章

矩阵的Kronecker积和

Hadamard积TheKroneckerProductandHadamardProduct第6章

矩阵的Kronecker积和

Hadamard概述：主要内容：介绍Kronecker积和Hadamard积讨论K-积，H-积的运算性质、之间的关系K-积与矩阵乘积的关系K-积，H-积的矩阵性质K-积的矩阵等价与相似关系应用：求解矩阵方程向量化算子重点：K-积及其应用概述：主要内容：6.1

Kronecker积和Hadamard积的定义定义6.1（P.136）

设矩阵A=[aij]mn和B=[bij]st，则A和B的Kronecker被定义为AB：

AB=[aijB]msnt设A=[aij]mn和B=[bij]mn为同阶矩阵，则A和B的Hadamard被定义为AB：AB=[aijbij]mn6.1Kronecker积和Hadamard积

6.1

K-积和H-积的定义例题1设，计算

AB，BA，I2B，AB，I2A6.1K-积和H-积的定义例题1设例题1设，计算

AB，BA，I2B，AB，I2A分块对角矩阵对角矩阵

6.1

K-积和H-积的定义例题1设例题2

设分块矩阵A=(Ast)，则

AB=(Ast

B)特别地，若A=(A1,A2,…,An)，则

AB=(A1B,A2B,…,AnB)例题3

快速Walsh(Hadamard)变换yN=HNxN，其中于是有

6.1

K-积和H-积的定义例题2设分块矩阵A=(Ast)，则例题3快速Wal例题2

设分块矩阵A=(Ast)，则

AB=(Ast

B)特别地，若A=(A1,A2,…,An)，则

AB=(A1B,A2B,…,AnB)例题3

快速Walsh(Hadamard)变换yN=HNxN，其中于是有

6.1

K-积和H-积的定义例题2设分块矩阵A=(Ast)，则例题3快速WalK-积，H-积的基本结果：A和B中有一个为零矩阵，则AB=0，AB=0II=I，II=I若A为对角矩阵，则AB为分块对角矩阵，AB为对角矩阵。K-积的基本性质定理6.1（P.138）设以下矩阵使计算有意义，则(kA)B=A(kB)A(B+C)=AB+AC(AB)C=A(BC)(AB)H=AHBHABBAK-积，H-积的基本结果：H-积的基本性质：设A，B为同阶矩阵，则AB=BA(kA)B=A(kB)A(B+C)=AB+AC(AB)C=A(BC)(AB)H=AHBHKronecker和Hadamard的关系：定理6.3（P.139）AB可由AB的元素构成。H-积的基本性质：K-积与矩阵乘法

定理6.2（P.138）设矩阵A，B，C，D使得下列运算有意义，则有(AB)(CD)=(AC)(BD)

意义：建立Kronecker积和矩阵乘法的相互转换。特别情形：设AFmm，BFnn，则

AB=(ImA)(BIn)=(AIm)(InB)=(ImB)(AIn)=(AIn)(ImB)

(AB)k=Ak

Bk(A1B1C1)(A2B2C2)

=(A1A2)(B1B2)(C1C2)(A1B1)(A2B2)(A3B3)

=(A1A2A3)(B1B2B3)K-积与矩阵乘法(A1B1C1)(A2B2C2)=6.2Kronecker积和Hadamard积的性质Kronecker积的矩阵性质定理6.4

（P.140）设矩阵使下列运算有意义，则当A，B分别为可逆矩阵时，AB和BA均为可逆矩阵，而且有(AB)–1=A–1B–1当方阵AFmm，BFnn时，方阵ABFmnmn的行列式为|AB|=|BA|=|A|n|B|m若A，B是Hermite矩阵，则AB和BA均是Hermite矩阵若A，B是酉矩阵，则AB和BA均是酉矩阵。6.2Kronecker积和Hadamard积的性质KroKronecker与矩阵等价、相似关系定理6.5（P.141）设矩阵A，B，为等价矩阵，则(AI)等价于(BI)设方阵A相似与JA，方阵B相似于JB，则(AB)相似于(JAJB)K-积特征值和特征向量定理6.6（P.142）设AFmm的特征值、特征向量分别是i，xi，BFnn的特征值、特征向量分别是

j，yj，则(AB)的特征值是ij

。特征向量是(xiyj)。(AIn)+(ImB)的特征值是i

+

j

，特征向量是(xiyj)Kronecker和，记为AB

Kronecker与矩阵等价、相似关系Kronecker和，Kronecker与矩阵等价、相似关系推论若A，B正定（半正定），则AB和AB均正定（半正定）；

若A相似于JA，B相似于JB，则AB

相似于

JAJB，AB相似于JAJB。更一般的结果：定理6.7（P.142）

的特征值为Kronecker与矩阵等价、相似关系Kronecker积的矩阵函数性质定理6.8（P.143）设是f(z)解析函数，f(A)有意义，则

f(IA)=If(A)

f(AI)=f(A)I特例：

定理的证明思路：利用定理5.12，矩阵函数可由多项式表示。也可以直接用极限性质证明。SN(IA)=ISN(A)SN(AI)=SN(A)IKronecker积的矩阵函数性质定理的证明思路：利用定理5例题1设AFmn，BFst，证明rank(AB)=rank(A)rank(B)例题2（P.144），设，求(AB)的特征值和特征向量求[(AI)+(IB)]的特征值和特征向量

例题3：证明对任何方阵A,B,有例题1设AFmn，BFst，证明例题2（P.Hadamard积的性质定理6.9（Schur积定理）设A、B为同阶方阵。若A和B半正定（正定），则AB亦半正定（正定）。证明思路：利用定理3.6，有推出AB可表示为Hadamard积的性质证明思路：利用定理3.6，有推出A6.3矩阵的向量化算子和K-积向量化算子Vec:Fm×n

Fmn定义（P.143）设

A=[aij]mn,则Vec(A)=(a11a21…

am1；

a12a22…

am2；…；

a1na2n…

amn)T

性质：（P.146）Vec是线性算子，并保持线性关系不变：

Vec(k1A+k2B)=k1Vec(A)+k2Vec(B)2.

定理6.10（P.146）Vec(ABC)=(CTA)VecB

3.

Vec(AX)=(I

A)VecX4.Vec(XC)=(CTI)VecX令B=X,C=I令B=X,A=I6.3矩阵的向量化算子和K-积向量化算子Vec:Fm用向量化算子求解矩阵方程思想：用Vec算子，结合Kronecker积将矩阵方程化为线性方程组求解。1、AFmm，BFnn，DFmn，AX+XB=D分析：

AX+XB=D(IA+BTI)VecX=VecDG=(IA+BTI)，方程有惟一解的充要条件是G为可逆矩阵，即A和-B没有共同的特征值。例题1（P.147）用向量化算子求解矩阵方程思想：用Vec算子，结合Kronec用向量化算子求解矩阵方程2、A，XFnn，AX–XA=kX分析：

AX–XA=kX

(I

A–ATI)VecX=kVecXH=(IA–ATI)，方程(kI–

H)y=0有非零解的充要条件是k为H的特征值，k=ij。例题2求解矩阵方程AX–XA=–2X

用向量化算子求解矩阵方程2、A，XFnn，AX–XA用向量化算子求解矩阵方程3A，B，D，XFnn，AXB=D分析：AXB=D(BTA)VecX=VecDL

=

BT

A，方程有惟一解的充要条件是L为可逆矩阵.例题3求解方程A1XB1+A2XB2=D用向量化算子求解矩阵方程3A，B，D，XFn例题4

设ACmm，BCnn，DFmn，证明谱半径(A)

·(B)1时方程：X=AXB+D的解为证例题4设ACmm，BCnn，DFmn，证用向量化算子求解矩阵微分方程A，B，XFnn，

X'(t)

=AX(t)

+X(t)B,X(t0)=C

VecX'(t)=(I

A+BTI)VecX(t),VecX(t0)=VecC。用向量化算子求解矩阵微分方程A，B，XFnn，交换矩阵Kmn及其性质定理6.11(1)(2)

(3)

定理6.12设则

定理6.13设则

交换矩阵Kmn及其性质定理6.11(1)复习选讲：线性空间的表示线性变换与变换矩阵线性变换的确定方法相应变换矩阵的求法矩阵分解与空间分解准对角矩阵分解与不变子空间的分解可对角化矩阵的分解与特征子空间的分解幂等矩阵的空间分解JA，mA()，f()=|I-A|之间的关系A与f(A)在Jordan标准形上的关系f(A)的矩阵性质复习选讲：线性空间的表示复习选讲正规矩阵的性质与应用向量范数与矩阵范数向量的p范数矩阵的F范数和p范数矩阵幂级数和矩阵函数矩阵幂级数的收敛与矩阵函数的意义矩阵幂级数的求和与矩阵函数的计算矩阵函数与矩阵多项式复习选讲正规矩阵的性质与应用习题选讲P150：9P31:1(3),17,P58：6,11，20P92：11，12，15，习题选讲P150：9第6章

矩阵的Kronecker积和

Hadamard积TheKroneckerProductandHadamardProduct第6章

矩阵的Kronecker积和

Hadamard概述：主要内容：介绍Kronecker积和Hadamard积讨论K-积，H-积的运算性质、之间的关系K-积与矩阵乘积的关系K-积，H-积的矩阵性质K-积的矩阵等价与相似关系应用：求解矩阵方程向量化算子重点：K-积及其应用概述：主要内容：6.1

Kronecker积和Hadamard积的定义定义6.1（P.136）

设矩阵A=[aij]mn和B=[bij]st，则A和B的Kronecker被定义为AB：

AB=[aijB]msnt设A=[aij]mn和B=[bij]mn为同阶矩阵，则A和B的Hadamard被定义为AB：AB=[aijbij]mn6.1Kronecker积和Hadamard积

6.1

K-积和H-积的定义例题1设，计算

AB，BA，I2B，AB，I2A6.1K-积和H-积的定义例题1设例题1设，计算

AB，BA，I2B，AB，I2A分块对角矩阵对角矩阵

6.1

K-积和H-积的定义例题1设例题2

设分块矩阵A=(Ast)，则

AB=(Ast

B)特别地，若A=(A1,A2,…,An)，则

AB=(A1B,A2B,…,AnB)例题3

快速Walsh(Hadamard)变换yN=HNxN，其中于是有

6.1

K-积和H-积的定义例题2设分块矩阵A=(Ast)，则例题3快速Wal例题2

设分块矩阵A=(Ast)，则

AB=(Ast

B)特别地，若A=(A1,A2,…,An)，则

AB=(A1B,A2B,…,AnB)例题3

快速Walsh(Hadamard)变换yN=HNxN，其中于是有

6.1

K-积和H-积的定义例题2设分块矩阵A=(Ast)，则例题3快速WalK-积，H-积的基本结果：A和B中有一个为零矩阵，则AB=0，AB=0II=I，II=I若A为对角矩阵，则AB为分块对角矩阵，AB为对角矩阵。K-积的基本性质定理6.1（P.138）设以下矩阵使计算有意义，则(kA)B=A(kB)A(B+C)=AB+AC(AB)C=A(BC)(AB)H=AHBHABBAK-积，H-积的基本结果：H-积的基本性质：设A，B为同阶矩阵，则AB=BA(kA)B=A(kB)A(B+C)=AB+AC(AB)C=A(BC)(AB)H=AHBHKronecker和Hadamard的关系：定理6.3（P.139）AB可由AB的元素构成。H-积的基本性质：K-积与矩阵乘法

定理6.2（P.138）设矩阵A，B，C，D使得下列运算有意义，则有(AB)(CD)=(AC)(BD)

意义：建立Kronecker积和矩阵乘法的相互转换。特别情形：设AFmm，BFnn，则

AB=(ImA)(BIn)=(AIm)(InB)=(ImB)(AIn)=(AIn)(ImB)

(AB)k=Ak

Bk(A1B1C1)(A2B2C2)

=(A1A2)(B1B2)(C1C2)(A1B1)(A2B2)(A3B3)

=(A1A2A3)(B1B2B3)K-积与矩阵乘法(A1B1C1)(A2B2C2)=6.2Kronecker积和Hadamard积的性质Kronecker积的矩阵性质定理6.4

（P.140）设矩阵使下列运算有意义，则当A，B分别为可逆矩阵时，AB和BA均为可逆矩阵，而且有(AB)–1=A–1B–1当方阵AFmm，BFnn时，方阵ABFmnmn的行列式为|AB|=|BA|=|A|n|B|m若A，B是Hermite矩阵，则AB和BA均是Hermite矩阵若A，B是酉矩阵，则AB和BA均是酉矩阵。6.2Kronecker积和Hadamard积的性质KroKronecker与矩阵等价、相似关系定理6.5（P.141）设矩阵A，B，为等价矩阵，则(AI)等价于(BI)设方阵A相似与JA，方阵B相似于JB，则(AB)相似于(JAJB)K-积特征值和特征向量定理6.6（P.142）设AFmm的特征值、特征向量分别是i，xi，BFnn的特征值、特征向量分别是

j，yj，则(AB)的特征值是ij

。特征向量是(xiyj)。(AIn)+(ImB)的特征值是i

+

j

，特征向量是(xiyj)Kronecker和，记为AB

Kronecker与矩阵等价、相似关系Kronecker和，Kronecker与矩阵等价、相似关系推论若A，B正定（半正定），则AB和AB均正定（半正定）；

若A相似于JA，B相似于JB，则AB

相似于

JAJB，AB相似于JAJB。更一般的结果：定理6.7（P.142）

的特征值为Kronecker与矩阵等价、相似关系Kronecker积的矩阵函数性质定理6.8（P.143）设是f(z)解析函数，f(A)有意义，则

f(IA)=If(A)

f(AI)=f(A)I特例：

定理的证明思路：利用定理5.12，矩阵函数可由多项式表示。也可以直接用极限性质证明。SN(IA)=ISN(A)SN(AI)=SN(A)IKronecker积的矩阵函数性质定理的证明思路：利用定理5例题1设AFmn，BFst，证明rank(AB)=rank(A)rank(B)例题2（P.144），设，求(AB)的特征值和特征向量求[(AI)+(IB)]的特征值和特征向量

例题3：证明对任何方阵A,B,有例题1设AFmn，BFst，证明例题2（P.Hadamard积的性质定理6.9（Schur积定理）设A、B为同阶方阵。若A和B半正定（正定），则AB亦半正定（正定）。证明思路：利用定理3.6，有推出AB可表示为Hadamard积的性质证明思路：利用定理3.6，有推出A6.3矩阵的向量化算子和K-积向量化算子Vec:Fm×n

Fmn定义（P.143）设

A=[aij]mn,则Vec(A)=(a11a21…

am1；

a12a22…

am2；…；

a1na2n…

amn)T

性质：（P.146）Vec是线性算子，并保持线性关系不变：

Vec(k1A+k2B)=k1Vec(A)+k2Vec(B)2.

定理6.10（P.146）Vec(ABC)=(CTA)VecB

3.

Vec(AX)=(I

A)VecX4.Vec(XC)=(CTI)VecX令B=X,C=I令B=X,A=I6.3矩阵的向量化算子和K-积向量化算子Vec:Fm用向量化算子求解矩阵方程思想：用Vec算子，结合Kronecker积将矩阵方程化为线性方程组求解。1、AFmm，BFnn，DFmn，AX+XB=D分析：

AX+XB=D(IA+BTI)VecX=VecDG=(IA+BTI)，方程有惟一解的充要条件是G为可逆矩阵，即A和-B没有共同的特征值。例题1（P.147）用向量化算子求解矩阵方程思想：用Vec算子，结合Kronec用向量化算子求解矩阵方程2、A，XFnn，AX–XA=kX分析：

AX–XA=kX

(I

A–ATI)VecX=kVecXH=(IA–ATI)，方程(kI–

H