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线性代数公式与性质汇总 ​

本章系统整理线性代数中的核心公式与性质,主要参考 The Matrix Cookbook(Petersen & Pedersen, 2012)并补充经典结论。矩阵微积分内容见专项章节,本章不涉及。


1. 符号约定 ​

符号含义
A,B,C矩阵(大写粗体或大写斜体)
a,b列向量(小写加粗)
aij 或 [A]ij矩阵 A 第 i 行第 j 列元素
A⊤转置
A∗ 或 AH共轭转置(Hermitian 伴随)
A−1逆矩阵
A+Moore-Penrose 伪逆
det(A) 或 |A|行列式
tr(A)迹
rank(A)秩
‖A‖矩阵范数
Inn×n 单位矩阵
0零矩阵或零向量
⊗Kronecker 积
⊙Hadamard 积(逐元素乘)
vec(A)矩阵向量化(按列堆叠)

2. 迹(Trace) ​

2.1 定义 ​

tr(A)=∑i=1nAii

仅对方阵定义。

2.2 基本性质 ​

性质公式
线性tr(A+B)=tr(A)+tr(B)
数乘tr(cA)=ctr(A)
转置不变tr(A)=tr(A⊤)
相似不变tr(P−1AP)=tr(A)
循环置换tr(ABC)=tr(BCA)=tr(CAB)
交换tr(AB)=tr(BA)(即使 AB≠BA)
与特征值tr(A)=∑i=1nλi

2.3 迹与内积 ​

tr(A⊤B)=∑i,jAijBij

这是矩阵空间上的 Frobenius 内积:⟨A,B⟩F=tr(A⊤B)。

2.4 二次型中的迹 ​

a⊤Aa=tr(a⊤Aa)=tr(Aaa⊤)

3. 行列式(Determinant) ​

3.1 基本性质 ​

性质公式
乘积det(AB)=det(A)det(B)
数乘det(cA)=cndet(A)(A∈Rn×n)
转置det(A⊤)=det(A)
逆矩阵det(A−1)=1det(A)
幂次det(Ak)=det(A)k
行交换交换两行(列),行列式变号
行缩放某行乘以 k,行列式乘以 k
行倍加一行加上另一行的倍数,行列式不变
块对角det(A00D)=det(A)det(D)
特征值det(A)=∏i=1nλi

3.2 与秩的关系 ​

A 可逆⟺det(A)≠0⟺rank(A)=n

3.3 块矩阵行列式 ​

设 A,D 均为方阵:

det(ABCD)=det(A)det(D−CA−1B)(A 可逆)det(ABCD)=det(D)det(A−BD−1C)(D 可逆)

3.4 矩阵行列式引理 ​

det(A+uv⊤)=(1+v⊤A−1u)det(A)

推广:

det(A+UCV)=det(C−1+VA−1U)det(C)det(A)

3.5 Sylvester 行列式恒等式 ​

det(Im+AB)=det(In+BA)

其中 A∈Rm×n,B∈Rn×m。

3.6 计算方法 ​

  • 2×2:det[abcd]=ad−bc
  • 余子式展开(按第 i 行):det(A)=∑j=1n(−1)i+jAijMij
  • 三角矩阵:det=∏iAii
  • 高斯消元:化为上三角后 det(A)=(−1)s∏iUii,s 为行交换次数

4. 矩阵的秩(Rank) ​

4.1 基本性质 ​

性质结论
上界rank(A)≤min(m,n)(A∈Rm×n)
转置不变rank(A)=rank(A⊤)=rank(A⊤A)=rank(AA⊤)
数乘不变rank(cA)=rank(A)(c≠0)
乘积rank(AB)≤min(rank(A),rank(B))
加法rank(A+B)≤rank(A)+rank(B)
可逆乘rank(PAQ)=rank(A)(P,Q 可逆)

4.2 Sylvester 秩不等式 ​

rank(A)+rank(B)−n≤rank(AB)≤min(rank(A),rank(B))

其中 A∈Rm×n,B∈Rn×p。

4.3 秩-零化度定理 ​

rank(A)+nullity(A)=n(A∈Rm×n)

4.4 满秩分解 ​

任意秩为 r 的矩阵 A∈Rm×n 可分解为:

A=FG

其中 F∈Rm×r,G∈Rr×n,F 和 G 均满秩。


5. 矩阵的逆(Inverse) ​

5.1 基本性质 ​

性质公式
双重逆(A−1)−1=A
乘积逆(AB)−1=B−1A−1
转置逆(A⊤)−1=(A−1)⊤
共轭逆(A∗)−1=(A−1)∗
数乘逆(cA)−1=c−1A−1(c≠0)
幂次逆(An)−1=(A−1)n

5.2 Sherman-Morrison 公式 ​

(A+uv⊤)−1=A−1−A−1uv⊤A−11+v⊤A−1u

条件:A 可逆,1+v⊤A−1u≠0。

5.3 Woodbury 矩阵恒等式 ​

(A+UCV)−1=A−1−A−1U(C−1+VA−1U)−1VA−1

其中 A∈Rn×n,C∈Rk×k,U∈Rn×k,V∈Rk×n。

5.4 块矩阵求逆 ​

设 A,D 可逆,S=D−CA−1B(Schur 补):

(ABCD)−1=(A−1+A−1BS−1CA−1−A−1BS−1−S−1CA−1S−1)

5.5 Moore-Penrose 伪逆 ​

对于任意矩阵 A∈Rm×n,伪逆 A+ 是满足 Moore-Penrose 条件的唯一矩阵:

  1. AA+A=A
  2. A+AA+=A+
  3. (AA+)⊤=AA+
  4. (A+A)⊤=A+A

计算方法(通过 SVD,A=UΣV⊤):

A+=VΣ+U⊤

其中 Σ+ 是将 Σ 的非零奇异值取倒数再转置。

关键性质:

条件结论
A 可逆A+=A−1
列满秩(m≥n,rank(A)=n)A+=(A⊤A)−1A⊤(左逆)
行满秩(m≤n,rank(A)=m)A+=A⊤(AA⊤)−1(右逆)
(A⊤)+(A+)⊤
(A∗)+(A+)∗
(A+)+A
rank(A+)rank(A)

6. 转置与共轭转置 ​

6.1 转置性质 ​

性质公式
双重转置(A⊤)⊤=A
加法(A+B)⊤=A⊤+B⊤
乘积(AB)⊤=B⊤A⊤
数乘(cA)⊤=cA⊤
行列式det(A⊤)=det(A)
逆(A⊤)−1=(A−1)⊤

6.2 共轭转置性质 ​

A∗=A―⊤(取复共轭后转置):

性质公式
双重(A∗)∗=A
加法(A+B)∗=A∗+B∗
乘积(AB)∗=B∗A∗
数乘(αA)∗=α¯A∗

7. 特殊矩阵运算 ​

7.1 Hadamard 积(逐元素乘) ​

[A⊙B]ij=AijBij

性质:

性质公式
交换律A⊙B=B⊙A
结合律(A⊙B)⊙C=A⊙(B⊙C)
分配律A⊙(B+C)=A⊙B+A⊙C
迹关系tr(A⊤(B⊙C))=tr((A⊙B)⊤C)
半正定A,B 半正定 ⇒A⊙B 半正定(Schur 积定理)

7.2 Kronecker 积 ​

A⊗B=[A11B⋯A1nB⋮⋱⋮Am1B⋯AmnB]

性质:

性质公式
混合乘积(A⊗B)(C⊗D)=(AC)⊗(BD)
转置(A⊗B)⊤=A⊤⊗B⊤
逆(均可逆时)(A⊗B)−1=A−1⊗B−1
迹tr(A⊗B)=tr(A)tr(B)
行列式det(A⊗B)=det(A)ndet(B)m(A∈Rm×m,B∈Rn×n)
秩rank(A⊗B)=rank(A)rank(B)
特征值若 λ 是 A 的特征值,μ 是 B 的特征值,则 λμ 是 A⊗B 的特征值

7.3 vec 算子 ​

vec(A) 将矩阵 A 的各列从左到右竖直堆叠成一个列向量。

关键公式:

vec(AXB)=(B⊤⊗A)vec(X)tr(A⊤B)=vec(A)⊤vec(B)vec(A+B)=vec(A)+vec(B)

8. 特征值与特征向量 ​

8.1 定义 ​

若 Av=λv,v≠0,则 λ 是特征值,v 是对应的特征向量。

特征多项式:p(λ)=det(A−λI)=0。

8.2 基本性质 ​

性质公式
迹tr(A)=∑iλi
行列式det(A)=∏iλi
幂次Ak 的特征值为 λik
逆A−1 的特征值为 λi−1
多项式f(A) 的特征值为 f(λi)
转置A⊤ 与 A 有相同特征值
相似变换A 与 P−1AP 有相同特征值
数乘cA 的特征值为 cλi
平移(A−μI) 的特征值为 λi−μ

8.3 Cayley-Hamilton 定理 ​

矩阵满足其自身的特征多项式:

p(A)=0

例如,若 p(λ)=λ2−tr(A)λ+det(A)(2×2 情形),则 A2−tr(A)A+det(A)I=0。

8.4 特征分解 ​

若 A∈Rn×n 有 n 个线性无关特征向量,则:

A=PΛP−1

其中 Λ=diag(λ1,…,λn),P 的列为对应特征向量。

对于实对称矩阵(或 Hermitian 矩阵),可取正交分解:

A=QΛQ⊤(Q⊤Q=I)

8.5 特征值不等式 ​

设 A 为实对称矩阵,特征值排列为 λ1≥λ2≥⋯≥λn:

Rayleigh 商:

λn≤x⊤Axx⊤x≤λ1∀x≠0

Weyl 不等式(C=A+B,均为 Hermitian):

λi+j−1(C)≤λi(A)+λj(B)≤λi+j−n(C)

Courant-Fischer 极小极大定理:

λk(A)=mindim⁡(S)=n−k+1maxx∈S,∥x∥=1x⊤Ax

9. 矩阵分解 ​

9.1 LU 分解 ​

A=LU(或 PA=LU 含行交换)

L 为单位下三角矩阵,U 为上三角矩阵。用于高效求解 Ax=b:先前向代入 Ly=b,再后向代入 Ux=y。

9.2 Cholesky 分解 ​

若 A 为正定对称矩阵,则存在唯一下三角矩阵 L(对角元素为正),使得:

A=LL⊤
  • 比 LU 分解快约 2×;
  • 常用于多元正态分布的采样、最小二乘。

9.3 LDL 分解 ​

A=LDL⊤

其中 L 为单位下三角,D 为对角矩阵。适用于对称但不一定正定的矩阵。

9.4 QR 分解 ​

任意矩阵 A∈Rm×n(m≥n)均可分解为:

A=QR

Q∈Rm×m 为正交矩阵,R∈Rm×n 为上三角矩阵。

  • 用于求解最小二乘、计算特征值(QR 算法);
  • 紧凑形式(经济型):A=Q^R^,Q^∈Rm×n,R^∈Rn×n。

9.5 奇异值分解(SVD) ​

任意矩阵 A∈Rm×n(m≥n):

A=UΣV⊤
  • U∈Rm×m:正交矩阵(左奇异向量);
  • Σ∈Rm×n:对角矩阵,对角元 σ1≥σ2≥⋯≥σr≥0(奇异值);
  • V∈Rn×n:正交矩阵(右奇异向量)。

关键关系:

A⊤A=VΣ⊤ΣV⊤,AA⊤=UΣΣ⊤U⊤

奇异值是 A⊤A(或 AA⊤)非零特征值的平方根。

截断 SVD(低秩近似):

Ak=∑i=1kσiuivi⊤=UkΣkVk⊤

Eckart-Young 定理:在所有秩 k 矩阵中,Ak 是 A 的最佳近似(Frobenius 范数和谱范数均成立):

minrank(B)=k∥A−B∥F=∑i=k+1rσi2

9.6 特征分解与 SVD 的关系 ​

特征分解SVD
适用矩阵方阵(可对角化)任意矩阵
分解形式A=PΛP−1A=UΣV⊤
正交分解仅对称矩阵保证永远有正交 U,V
值特征值(可为复数、负数)奇异值(非负实数)

10. 特殊矩阵类型 ​

10.1 对称矩阵与反对称矩阵 ​

  • 对称:A⊤=A;特征值均为实数;可正交对角化。
  • 反对称(斜对称):A⊤=−A;对角线全为零;特征值为纯虚数或零。

任意方阵可分解为对称与反对称部分之和:

A=A+A⊤2⏟对称部分+A−A⊤2⏟反对称部分

10.2 正交矩阵 ​

Q 正交 ⟺Q⊤Q=QQ⊤=I⟺Q−1=Q⊤。

  • |det(Q)|=1(det(Q)=±1);
  • 保范:∥Qx∥=∥x∥;
  • 特征值模长为 1;
  • 正交矩阵的乘积仍为正交矩阵。

10.3 正定矩阵 ​

实对称矩阵 A 为正定(positive definite,PD)⟺ 以下等价条件之一成立:

等价条件
x⊤Ax>0,∀x≠0
所有特征值 λi>0
所有顺序主子式 >0(Sylvester 判据)
Cholesky 分解存在(A=LL⊤,L 对角元素为正)
A=B⊤B 对某个满列秩矩阵 B

半正定(PSD):≥ 替换以上所有 >。

性质:

性质结论
可逆正定矩阵均可逆
逆矩阵正定矩阵的逆仍为正定
加法正定矩阵之和仍为正定
主子矩阵正定矩阵的任意主子矩阵仍为正定
A+cIc>−λmin 时正定
B⊤ABA 正定,B 列满秩 ⇒B⊤AB 正定

10.4 幂等矩阵(投影矩阵) ​

P 幂等 ⟺P2=P。

  • 特征值只有 0 或 1;
  • tr(P)=rank(P);
  • I−P 也是幂等矩阵;
  • 正交投影矩阵额外满足 P⊤=P(对称幂等)。

10.5 正规矩阵 ​

A 正规 ⟺A∗A=AA∗。

包含:Hermitian、反 Hermitian、酉矩阵。正规矩阵可被酉矩阵对角化(谱定理的推广)。

10.6 块矩阵 ​

块对角矩阵:

A=diag(A1,A2,…,Ak),det(A)=∏idet(Ai),A−1=diag(A1−1,…,Ak−1)

块三角矩阵:

(AB0D)−1=(A−1−A−1BD−10D−1)

11. 矩阵范数 ​

11.1 向量范数 ​

名称定义
ℓ1 范数‖x‖1=∑i|xi|
ℓ2 范数(Euclidean)‖x‖2=∑ixi2
ℓp 范数‖x‖p=(∑i|xi|p)1/p,p≥1
ℓ∞ 范数‖x‖∞=maxi|xi|

11.2 矩阵范数 ​

名称定义备注
Frobenius 范数‖A‖F=∑i,jAij2=tr(A⊤A)与向量 ℓ2 一致
谱范数(ℓ2 算子范数)‖A‖2=σmax(A)最大奇异值
核范数‖A‖∗=∑iσi奇异值之和
ℓ1 算子范数‖A‖1=maxj∑i|Aij|最大列绝对和
ℓ∞ 算子范数‖A‖∞=maxi∑j|Aij|最大行绝对和

一般的诱导矩阵范数定义为:

‖A‖p=maxx≠0‖Ax‖p‖x‖p

SVD 与范数:

∥A∥F2=∑iσi2,∥A∥2=σ1,∥A∥∗=∑iσi

11.3 范数不等式 ​

1n∥A∥∞≤∥A∥2≤m∥A∥∞(A∈Rm×n)∥A∥2≤∥A∥F≤r∥A∥2(r=rank(A))∥AB∥F≤∥A∥F∥B∥F∥AB∥2≤∥A∥2∥B∥2

11.4 条件数 ​

κ(A)=∥A∥∥A−1∥=σmaxσmin(使用谱范数时)

κ(A)=1 当且仅当 A 是正规化的正交矩阵。条件数衡量线性系统的数值稳定性。


12. 线性方程组的解 ​

12.1 解的存在性与唯一性 ​

条件解的情况
rank(A)<rank([A|b])无解
rank(A)=rank([A|b])=n唯一解
rank(A)=rank([A|b])<n无穷多解

12.2 最小二乘问题 ​

minx∥Ax−b∥22 的解由正规方程给出:

A⊤Ax=A⊤b
  • 若 A 列满秩:x^=(A⊤A)−1A⊤b=A+b
  • 一般解:x^=A+b(最小范数解)

12.3 正则化最小二乘 ​

Tikhonov 正则化(岭回归):

minx∥Ax−b∥22+λ∥x∥22

解为:

x^=(A⊤A+λI)−1A⊤b

12.4 零空间与值域 ​

  • 零空间(核):ker⁡(A)={x:Ax=0},维数 =n−rank(A)
  • 列空间(值域):col(A)={Ax:x∈Rn},维数 =rank(A)
  • 正交补:ker⁡(A)=col(A⊤)⊥,col(A)=ker⁡(A⊤)⊥

13. 向量空间与子空间 ​

13.1 基本概念 ​

  • 子空间:非空集合 S⊆Rn,对加法和数乘封闭;
  • 基:线性无关且张成整个空间的向量集合;
  • 维数:基的元素个数;
  • 正交基:基向量两两正交;正交归一基(ONB)额外要求每个向量模为 1。

13.2 Gram-Schmidt 正交化 ​

将线性无关组 {v1,…,vk} 正交化:

uj=vj−∑i=1j−1vj⊤uiui⊤uiui

单位化:ej=uj/∥uj∥。

13.3 投影 ​

若 A 列满秩,向量 b 在子空间 col(A) 上的正交投影:

b^=A(A⊤A)−1A⊤b=Pb

投影矩阵 P=A(A⊤A)−1A⊤(对称幂等)。


14. 二次型 ​

14.1 定义 ​

Q(x)=x⊤Ax=∑i,jAijxixj

其中 A 可不妨取对称矩阵。

14.2 正定性判断 ​

类型条件
正定(PD)Q(x)>0,∀x≠0
半正定(PSD)Q(x)≥0,∀x
负定(ND)Q(x)<0,∀x≠0
半负定(NSD)Q(x)≤0,∀x
不定以上均不满足

14.3 标准化 ​

通过正交变换 x=Qy(Q 为 A 的特征向量矩阵),二次型化为标准形:

Q(x)=y⊤Λy=∑iλiyi2

15. 矩阵函数与幂级数 ​

15.1 矩阵多项式 ​

若 f(λ)=∑k=0mckλk,则:

f(A)=∑k=0mckAk

15.2 矩阵指数 ​

eA=∑k=0∞Akk!=I+A+A22!+⋯

性质:

性质公式
对角矩阵ediag(λi)=diag(eλi)
可对角化A=PΛP−1⇒eA=PeΛP−1
换序(AB=BA)eA+B=eAeB
逆(eA)−1=e−A
行列式det(eA)=etr(A)
导数ddtetA=AetA

15.3 矩阵对数 ​

若 A 无零或负实数特征值,则:

ln⁡(A)=∑k=1∞(−1)k−1k(A−I)k(∥A−I∥<1)

满足 eln⁡A=A。

15.4 矩阵的平方根 ​

若 A 为正定矩阵,其正定平方根 A1/2 满足 A1/2A1/2=A。通过 A=QΛQ⊤ 可得:

A1/2=QΛ1/2Q⊤

16. 常用恒等式与不等式 ​

16.1 矩阵恒等式 ​

恒等式公式
推广结合律(A+B)C=AC+BC
转置链(A1A2⋯Ak)⊤=Ak⊤⋯A2⊤A1⊤
逆链(A1A2⋯Ak)−1=Ak−1⋯A2−1A1−1
迹循环tr(ABCD)=tr(BCDA)=tr(CDAB)=tr(DABC)
Sylvester 行列式det(I+AB)=det(I+BA)

16.2 重要不等式 ​

Cauchy-Schwarz 不等式:

|x⊤y|2≤(x⊤x)(y⊤y)

矩阵形式(A 正定):

(x⊤y)2≤(x⊤Ax)(y⊤A−1y)

Hadamard 不等式:

|det(A)|≤∏j∥aj∥2(aj 为 A 的列向量)

迹不等式(A,B 均为半正定矩阵):

tr(AB)≤tr(A)tr(B)tr(AB)≥0

Von Neumann 迹不等式:

|tr(A⊤B)|≤∑iσi(A)σi(B)

Fan 不等式(前 k 个最大奇异值之和):

∑i=1kσi(A+B)≤∑i=1kσi(A)+∑i=1kσi(B)

17. 统计与概率中的矩阵 ​

17.1 协方差矩阵 ​

Σ=E[(x−μ)(x−μ)⊤]
  • 对称半正定;
  • Σij=Cov(xi,xj);
  • 对角线 Σii=Var(xi)。

17.2 多元正态分布 ​

p(x)=1(2π)n/2|Σ|1/2exp⁡(−12(x−μ)⊤Σ−1(x−μ))

二次型 (x−μ)⊤Σ−1(x−μ) 称为 Mahalanobis 距离的平方。


在 AI 中的应用 ​

公式/概念AI/ML 中的体现
SVD / 低秩近似PCA、推荐系统矩阵分解、语义分析(LSA)
Woodbury 恒等式高斯过程、核方法中大矩阵求逆的高效计算
Cholesky 分解多元正态采样、卡尔曼滤波、贝叶斯优化
正规方程 / 伪逆线性回归、最小二乘解
Kronecker 积 / vec矩阵方程、多任务学习、高斯过程
谱范数 / 条件数神经网络谱归一化(SN-GAN)、数值稳定性
正定矩阵核函数(Gram 矩阵)、协方差矩阵
矩阵指数连续时间动态系统、状态空间模型
特征分解PCA(XX⊤ 的特征向量)、谱聚类
Rayleigh 商Fisher 线性判别分析(LDA)
投影矩阵线性回归帽矩阵 H=X(X⊤X)−1X⊤
迹与 Frobenius 范数正则化(权重衰减)、核迹范数最小化

以知识图谱方式组织 AI 学习路径。