2009年3月11日 星期三

矩陣乘法的現代觀點 (二)

以列作為計算單元定義 AB

這個定義和以行作為計算單元的定義有類比的形式,我們視 $$AB$$ 的每一列為 $$B$$ 其列之線性組合,矩陣 $$A$$ 的對應列給出組合權重,如下:

$$\mathrm{row}_{i}(AB)= \mathrm{row}_{i}(A)\cdot\mathit{B} $$

或著將 $$AB$$ 完整的寫出來

$$\mathit{AB}=\begin{bmatrix}

\mathrm{row}_{1}(A)\\

\vdots \\

\mathrm{row}_{m}(A)

\end{bmatrix}B=\begin{bmatrix}

\mathrm{row}_{1}(A)\cdot\mathit{B}\\

\vdots \\

\mathrm{row}_{m}(A)\cdot\mathit{B}\end{bmatrix}$$

因為今天多數的線性代數課本所指稱的向量都是行向量,我們特別以記號 $$\mathrm{row}$$ 表示矩陣的列。這個計算方式的應用較少,主要用途是解釋基本矩陣 $$A$$ 如何對 $$B$$ 執行列運算。

  


以行列展開計算 AB

許多人不明瞭二矩陣乘積可以寫成數個矩陣之和。將 $$A$$ 以行向量表示,$$B$$ 以列向量表示,有以下結果:

$$\mathit{AB}=\begin{bmatrix}

\mathbf{a}_{1} & \cdots &\mathbf{a}_{n}

\end{bmatrix}\begin{bmatrix}

\mathrm{row}_{1}(B)\\

\vdots \\

\mathrm{row}_{n}(B)

\end{bmatrix}=\mathbf{a}_{1}\mathrm{row}_{1}(B)+\cdots+\mathbf{a}_{n}\mathrm{row}_{n}(B)$$

此計算式又稱為“外積展開”,注意這個展開方式和以元為計算單位的內積運算有何差異。因為 $$AB$$ 的 $$(i,j)$$ 元即為每個展開矩陣 $$\mathbf{a}_k~\mathrm{row}_k(B)$$ 其 $$(i,j)$$ 元的和,由此可驗證上式的正確性。以行列展開計算的重要應用在於對稱矩陣的譜分解。任何實對稱矩陣 $$A$$ 可寫為 $$A=UDU^T$$,$$D$$ 為主對角矩陣,所以

$$\mathit{A}=(UD)U^{T}=\begin{bmatrix}

d_{1}\mathbf{u}_{1} & \cdots &d_{n}\mathbf{u}_{n}

\end{bmatrix}\begin{bmatrix}

\mathbf{u}^{T}_{1}\\

\vdots \\

\mathbf{u}^{T}_{n}

\end{bmatrix}=d_{1}\mathbf{u}_{1}\mathbf{u}^{T}_{1}+\cdots+d_{n}\mathbf{u}_{n}\mathbf{u}^{T}_{n}$$

   


總結來說,矩陣乘法共有四種計算方式。初學者需經過不斷嘗試錯誤才能逐漸體會各計算方式的使用時機,要能達到隨手拈來,存乎一心的境界唯有多加練習一途。

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