克罗内克积

克罗内克积

双线性和结合律

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克罗内克积是张量积的特殊形式,因此满足双线性与结合律:

A

(

B

+

C

)

=

A

B

+

A

C

(if

B

and

C

have the same size)

,

{\displaystyle A\otimes (B+C)=A\otimes B+A\otimes C\qquad {\mbox{(if }}B{\mbox{ and }}C{\mbox{ have the same size)}},}

(

A

+

B

)

C

=

A

C

+

B

C

(if

A

and

B

have the same size)

,

{\displaystyle (A+B)\otimes C=A\otimes C+B\otimes C\qquad {\mbox{(if }}A{\mbox{ and }}B{\mbox{ have the same size)}},}

(

k

A

)

B

=

A

(

k

B

)

=

k

(

A

B

)

,

{\displaystyle (kA)\otimes B=A\otimes (kB)=k(A\otimes B),}

(

A

B

)

C

=

A

(

B

C

)

,

{\displaystyle (A\otimes B)\otimes C=A\otimes (B\otimes C),}

其中,A, B 和 C 是矩阵,而 k 是常量。

克罗内克积不符合交换律:通常,A ⊗ B 不同于 B ⊗ A。

A ⊗ B和B ⊗ A是排列等价的,也就是说,存在排列矩阵P和Q,使得

A

B

=

P

(

B

A

)

Q

.

{\displaystyle A\otimes B=P\,(B\otimes A)\,Q.}

如果A和B是方块矩阵,则A ⊗ B和B ⊗ A甚至是排列相似的,也就是说,我们可以取P = QT。

混合乘积性质

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如果A、B、C和D是四个矩阵,且矩阵乘积AC和BD存在,那么:

(

A

B

)

(

C

D

)

=

A

C

B

D

.

{\displaystyle (\mathbf {A} \otimes \mathbf {B} )(\mathbf {C} \otimes \mathbf {D} )=\mathbf {AC} \otimes \mathbf {BD} .}

这个性质称为“混合乘积性质”,因为它混合了通常的矩阵乘积和克罗内克积。于是可以推出,A

{\displaystyle \,\otimes \,}

B是可逆的当且仅当A和B是可逆的,其逆矩阵为:

(

A

B

)

1

=

A

1

B

1

.

{\displaystyle (\mathbf {A} \otimes \mathbf {B} )^{-1}=\mathbf {A} ^{-1}\otimes \mathbf {B} ^{-1}.}

克罗内克和

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如果A是n × n矩阵,B是m × m矩阵,

I

k

{\displaystyle \mathbf {I} _{k}}

表示k × k单位矩阵,那么我们可以定义克罗内克和

{\displaystyle \oplus }

为:

A

B

=

A

I

m

+

I

n

B

.

{\displaystyle \mathbf {A} \oplus \mathbf {B} =\mathbf {A} \otimes \mathbf {I} _{m}+\mathbf {I} _{n}\otimes \mathbf {B} .}

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假设A和B分别是大小为n和q的方块矩阵。设λ1,......,λn为A的特征值,μ1,......,μq为B的特征值。那么A

{\displaystyle \,\otimes \,}

B的特征值为:

λ

i

μ

j

,

i

=

1

,

,

n

,

j

=

1

,

,

q

.

{\displaystyle \lambda _{i}\mu _{j},\qquad i=1,\ldots ,n,\,j=1,\ldots ,q.}

于是可以推出,两个矩阵的克罗内克积的迹和行列式为:

tr

(

A

B

)

=

tr

A

tr

B

and

det

(

A

B

)

=

(

det

A

)

q

(

det

B

)

n

.

{\displaystyle \operatorname {tr} (\mathbf {A} \otimes \mathbf {B} )=\operatorname {tr} \mathbf {A} \,\operatorname {tr} \mathbf {B} \quad {\mbox{and}}\quad \det(\mathbf {A} \otimes \mathbf {B} )=(\det \mathbf {A} )^{q}(\det \mathbf {B} )^{n}.}

奇异值

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如果A和B是长方矩阵,那么我们可以考虑它们的奇异值。假设A有rA个非零的奇异值,它们是:

σ

A

,

i

,

i

=

1

,

,

r

A

.

{\displaystyle \sigma _{\mathbf {A} ,i},\qquad i=1,\ldots ,r_{\mathbf {A} }.}

类似地,设B的非零奇异值为:

σ

B

,

i

,

i

=

1

,

,

r

B

.

{\displaystyle \sigma _{\mathbf {B} ,i},\qquad i=1,\ldots ,r_{\mathbf {B} }.}

那么克罗内克积A

{\displaystyle \,\otimes \,}

B有rArB个非零奇异值,它们是:

σ

A

,

i

σ

B

,

j

,

i

=

1

,

,

r

A

,

j

=

1

,

,

r

B

.

{\displaystyle \sigma _{\mathbf {A} ,i}\sigma _{\mathbf {B} ,j},\qquad i=1,\ldots ,r_{\mathbf {A} },\,j=1,\ldots ,r_{\mathbf {B} }.}

由于一个矩阵的秩等于非零奇异值的数目,因此我们有:

rank

(

A

B

)

=

rank

A

rank

B

.

{\displaystyle \operatorname {rank} (\mathbf {A} \otimes \mathbf {B} )=\operatorname {rank} \mathbf {A} \,\operatorname {rank} \mathbf {B} .}

与抽象张量积的关系

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矩阵的克罗内克积对应于线性映射的抽象张量积。特别地,如果向量空间V、W、X和Y分别具有基{v1, ... , vm}、 {w1, ... , wn}、{x1, ... , xd}和{y1, ... , ye},且矩阵A和B分别在恰当的基中表示线性变换S : V → X和T : W → Y,那么矩阵A ⊗ B表示两个映射的张量积S ⊗ T : V ⊗ W → X ⊗ Y,关于V ⊗ W的基{v1 ⊗ w1, v1 ⊗ w2, ... , v2 ⊗ w1, ... , vm ⊗ wn}和X ⊗ Y的类似基。[1]

与图的乘积的关系

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两个图的邻接矩阵的克罗内克积是它们的张量积图的邻接矩阵。两个图的邻接矩阵的克罗内克和,则是它们的笛卡儿积图的邻接矩阵。参见[2]第96个练习的答案。

转置

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克罗内克积转置运算符合分配律:

(

A

B

)

T

=

A

T

B

T

.

{\displaystyle (A\otimes B)^{T}=A^{T}\otimes B^{T}.}

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