分块矩阵及运算规则

对于行数和列数较多的,运算时常采用,使大矩阵的运算化成小矩阵的运算。具体操作就是像下面这样,将矩阵用若干条纵线和横线分成许多个小矩阵,每一个小矩阵称为

因此可以如下改写,其中每个元素都是子块():

改写后,以子块为元素的矩阵称为

1 加法

的行数、列数都相同,并且采用相同的分块法:

它们相加的结果为:

2 数乘

,那么:

3 乘法

矩阵,矩阵,分块成:

其中的列数分别等于的行数,也就是都符合,那么这两个的乘法结果为:

计算的方法和一样:

4 分块对角矩阵

,若在对角线上的都是,其余都为,那么称

该分块对角矩阵等于对角线上之和,即:

并且,当不是时,上述定理依然有效。

该证明的思路如下,假设,给该向量组中的每个向量的后面增加足够的零,将向量升维成的维数,因为,比如:

二维平面中的线性无关

升维后的依然线性无关

所以升维后的依然,可以所在行的的所有

但是因为下面全是零元素,所以升维后的无法表示下面的行,需要分别去表示各自所在行的,因此,为:

该证明就是将上面的思路严格化,比较繁琐,这里就不写出了。上面的证明并没有用到这个条件,所以对非依然成立。

如果有分块方法完全相同,对应的也全是的分块对角矩阵

类似,这两个分块对角矩阵的乘积为:

因此容易推出,当且仅当,此时有:

5 分块矩阵的转置

下面是分块矩阵以及它的

6 西尔维斯特不等式

分块矩阵的应用之一就是证明了:

如果是一个的矩阵,的,则:

该不等式称为

根据题目条件,可知成立(其中分别为阶、阶、):

容易判断其中的两个矩阵是进行后可得:

这其实是,它的就是非零行的个数,所以是。又因为,所以也是。同理可证

):

所以,根据可知:

(1)式的左边可推出(        (1)证明。假设:

根据可知,存在,使得(其中分别为阶、):

可以构建如下两个,并且根据可知,这两个矩阵都是

可以进行如下的

也是,在中,和下面的以及中的部分一起升维成新的,因为,所以依然线性无关,同样的道理也和上下的一起升维成新的。又因为右侧全是,所以组成的新向量组,依然是的,所以可能为:

还有部分,这些和上面的一起升维后,可以加入到中,它们可能被,此时保持不变;或者不能被,此时会增加。因此:

综上,以及可知:

        (2)通过交换一二行可得,根据(1)的结论可知:

交换一二行是不改变的,所以:

):

(1)式的右边类似于,根据,它的就是对角线上之和:

综合式可得:

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