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矩阵性质

幂等矩阵

  • \(A^2=A\)

  • 幂等矩阵的特征值只能是 \(0\)\(1\)

    • \(A^2\xi = \lambda^2\xi = A\xi = \lambda\xi\implies \lambda^2=\lambda\implies \lambda=0, 1\)
  • 从而幂等矩阵的行列式只能是 \(0\)\(1\)

    • \(\exists Q\in M_n(\mathbb{C}), Q^{-1}AQ=\begin{pmatrix}I_r&O\\O&O\end{pmatrix}\)
  • 可逆的幂等矩阵是单位矩阵

  • 幂等矩阵的秩等于它的迹

    • \[\text{rank}(A)=\text{tr}(A)\]
    • \(A\)\(\text{Jordan}\) 标准型 \(J\), 由于 \(J^2=J\), 从而 \(J\) 的特征值为 \(0\)\(\text{Jordan}\) 块是一阶的, 故有 \(\text{rank}(J)=\text{tr}(J)\)
  • \(\iff \text{rank}(A) + \text{rank}(I-A) = n\)

  • 幂等矩阵一定可对角化

  • 幂等矩阵通过秩划分成相似类

    • 任意秩为 \(r\) 的幂等矩阵 \(A\) 都相似于 \(\text{diag}(I_r, O)\)
  • 幂等变换就是投影变换

    • \(\varphi:V\to V\) 是幂等变换, 那么 \(V = U\oplus W, U=\text{Im}\varphi=\text{Ker}(I-\varphi), W = \text{Im}(I-\varphi)=\text{Ker}\varphi\)

幂零矩阵

  • \(A^k=0\)

  • \(\iff A\) 的特征值都是 \(0\)

    • \(A^k\xi = \lambda^k\xi = 0\implies \lambda^k=0\implies \lambda=0\)
  • 因此求证一个矩阵的特征值都是 \(0\) 等价于证明它是幂零矩阵

  • \(\iff A^{\text{rank}(A)+1}=0\)

  • \(\iff \forall k \text{tr}(A^k)=0\)

零矩阵

  • \(\text{tr}(AA^T)\geq 0\) 当且仅当 \(A=O\) 时取等号

    • \(\implies BB^T=O \iff \text{tr}(BB^T)=0\)

正定实对称矩阵

  • 一般讨论对称的

  • \(A\) 是正定矩阵

    • \(\iff A\) 和单位矩阵合同

    • \(\iff \exists P\) 可逆使得 \(A=P^TP\)

    • \(\iff A\) 的特征值都是正的

    • \(\forall X, X^TAX>0\)

    • \(\iff A\) 的所有主子式都是正的

    • \(\implies A\) 中绝对值最大的元素只能在主对角线上

半正定实对称矩阵

  • \(A\) 是半正定矩阵

    • \(\iff A\) 和矩阵 \(\begin{pmatrix} I_r & O \\ O & O \end{pmatrix}\) 合同

    • 存在矩阵 \(P\) 使得 \(A =P^TP\)

    • \(A\) 的特征值非负

    • \(A\) 的顺序主子式非负

  • \(\alpha^T A\alpha=0\) 可以推出 \(A\alpha = 0\)

  • \(M=\begin{pmatrix} A & B \\ C & D\end{pmatrix}\) 是半正定矩阵, 则 \(A, D\) 主对角占优

正交矩阵

  • \(A\) 是正交矩阵

    • \(\implies A^TA=I\)

    • \(\implies A^{-1}=A^T\)

    • \(\implies A\) 的行列式是 \(1\)\(-1\)

    • \(\implies A\) 的特征值是复数模为 \(1\) 的复数

矩阵的分解

  • \(A\)\(n\) 阶实矩阵. 则存在 \(n\) 阶正交矩阵 \(Q\) 和半正定实对称矩阵 \(S\) 使得 \(A=QS\)

  • Schur 定理

    • \(n\) 阶实矩阵相似于以下分块上三角矩阵

      • \[C=\begin{pmatrix}A_1&&&&&&\\&\ddots&&& * &&\\&&A_r&&&&\\&&&c_1&&&\\&&&&\ddots&&\\&&&&&c_k\end{pmatrix}\]
    • 其中 \(A_i\) 是二阶实矩阵, 特征值形如 \(a\pm bi\), \(c_j\) 是实数