2.4 分塊矩陣

A\boldsymbol{A} 按行分塊:
A=[a11a12a1na21a22a2nam1am2amn]=[A1A2Am] \boldsymbol{A} = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn}\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{A}_1\\ \boldsymbol{A}_2\\ \vdots\\ \boldsymbol{A}_m \end{bmatrix}
其中,Ai=[ai1,ai2,,ain](i=1,2,,m)\boldsymbol{A}_i=\begin{bmatrix} a_{i1},a_{i2},\cdots,a_{in} \end{bmatrix}(i=1,2,\cdots,m)A\boldsymbol{A} 的一個子塊。

B\boldsymbol{B} 按列分塊:
B=[b11b12b1nb21b22b2nbn1bn2bnn]=[B1,B2,,Bn] \boldsymbol{B} = \begin{bmatrix} b_{11} & b_{12} & \cdots & b_{1n}\\ b_{21} & b_{22} & \cdots & b_{2n}\\ \vdots & \vdots & & \vdots\\ b_{n1} & b_{n2} & \cdots & b_{nn}\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{B}_1,\boldsymbol{B}_2,\cdots,\boldsymbol{B}_n \end{bmatrix}
其中,Bj=[b1j,b2j,,bmj]T(j=1,2,,n)\boldsymbol{B}_j=\begin{bmatrix} b_{1j},b_{2j},\cdots,b_{mj} \end{bmatrix}^T(j=1,2,\cdots,n)B\boldsymbol{B} 的一個子塊。


  • 加法:同型且分法一致,則 [A1A2A3A4]+[B1B2B3B4]=[A1+B1A2+B2A3+B3A4+B4]\begin{bmatrix} \boldsymbol{A}_1 & \boldsymbol{A}_2 \\ \boldsymbol{A}_3 & \boldsymbol{A}_4 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} \boldsymbol{B}_1 & \boldsymbol{B}_2 \\ \boldsymbol{B}_3 & \boldsymbol{B}_4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{A}_1+\boldsymbol{B}_1 & \boldsymbol{A}_2+\boldsymbol{B}_2 \\ \boldsymbol{A}_3+\boldsymbol{B}_3 & \boldsymbol{A}_4+\boldsymbol{B}_4 \end{bmatrix}
  • 數乘:k[ABCD]=[kAkBkCkD]k\begin{bmatrix} \boldsymbol{A} & \boldsymbol{B} \\ \boldsymbol{C} & \boldsymbol{D} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} k\boldsymbol{A} & k\boldsymbol{B} \\ k\boldsymbol{C} & k\boldsymbol{D} \\ \end{bmatrix}
  • 乘法:[ABCD][XYZW]=[AX+BZAY+BWCX+DZCY+DW]\begin{bmatrix} \boldsymbol{A} & \boldsymbol{B} \\ \boldsymbol{C} & \boldsymbol{D} \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \boldsymbol{X} & \boldsymbol{Y} \\ \boldsymbol{Z} & \boldsymbol{W} \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{A}\boldsymbol{X}+\boldsymbol{B}\boldsymbol{Z} & \boldsymbol{A}\boldsymbol{Y}+\boldsymbol{B}\boldsymbol{W} \\ \boldsymbol{C}\boldsymbol{X}+\boldsymbol{D}\boldsymbol{Z} & \boldsymbol{C}\boldsymbol{Y}+\boldsymbol{D}\boldsymbol{W} \\ \end{bmatrix},要可乘、可加。
  • A,B\boldsymbol{A},\boldsymbol{B} 分別爲 m,nm,n 階方陣,則分塊對角矩陣的冪爲 [A00B]n=[An00Bn]\begin{bmatrix} \boldsymbol{A} & \boldsymbol{0} \\ \boldsymbol{0} & \boldsymbol{B} \\ \end{bmatrix}^n = \begin{bmatrix} \boldsymbol{A}^n & \boldsymbol{0} \\ \boldsymbol{0} & \boldsymbol{B}^n \end{bmatrix}

  1. Am×nBn×s=0\boldsymbol{A}_{m \times n}\boldsymbol{B}_{n \times s}=\boldsymbol{0},將 B,0\boldsymbol{B},\boldsymbol{0} 按列分塊,有 AB=A[β1,β2,,βs]=[Aβ1,Aβ2,,Aβs]=[0,0,,0]=0\boldsymbol{A}\boldsymbol{B}=\boldsymbol{A}\begin{bmatrix} \boldsymbol{\beta}_1,\boldsymbol{\beta}_2,\cdots,\boldsymbol{\beta}_s \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \boldsymbol{\boldsymbol{A}\beta}_1,\boldsymbol{A}\boldsymbol{\beta}_2,\cdots,\boldsymbol{A}\boldsymbol{\beta}_s \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \boldsymbol{0},\boldsymbol{0},\cdots,\boldsymbol{0} \end{bmatrix}=\boldsymbol{0},則 Aβi=0(i=1,2,,s)\boldsymbol{A}\boldsymbol{\beta}_i=\boldsymbol{0}(i=1,2,\cdots,s)βi\boldsymbol{\beta}_iAx=0\boldsymbol{A}\boldsymbol{x}=\boldsymbol{0} 的解。

  2. Am×nBn×s=Cm×s\boldsymbol{A}_{m \times n}\boldsymbol{B}_{n \times s}=\boldsymbol{C}_{m \times s}

    1. B,C\boldsymbol{B},\boldsymbol{C} 按行分塊,有 [a11a12a1na21a22a2nam1am2amn][β1β2βn]=[γ1γ2γn]\begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn}\\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \boldsymbol{\beta}_1\\ \boldsymbol{\beta}_2\\ \vdots\\ \boldsymbol{\beta}_n \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \boldsymbol{\gamma}_1\\ \boldsymbol{\gamma}_2\\ \vdots\\ \boldsymbol{\gamma}_n \end{bmatrix},則 γi=ai1β1+ai2β2++ainβn(i=1,2,,m)\boldsymbol{\gamma}_i=a_{i1}\boldsymbol{\beta}_1+a_{i2}\boldsymbol{\beta}_2+\cdots+a_{in}\boldsymbol{\beta}_n(i=1,2,\cdots,m),故 C\boldsymbol{C} 的行向量是 B\boldsymbol{B} 的行向量的線性組合;
    2. A,C\boldsymbol{A},\boldsymbol{C} 按列分塊,有 [α1,α2,,αn][b11b12b1sb21b22b2sbn1bn2bns]=[ξ1,ξ2,,ξn]\begin{bmatrix} \boldsymbol{\alpha}_1,\boldsymbol{\alpha}_2,\cdots,\boldsymbol{\alpha}_n \end{bmatrix}\begin{bmatrix} b_{11} & b_{12} & \cdots & b_{1s}\\ b_{21} & b_{22} & \cdots & b_{2s}\\ \vdots & \vdots & & \vdots\\ b_{n1} & b_{n2} & \cdots & b_{ns}\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \boldsymbol{\xi}_1,\boldsymbol{\xi}_2,\cdots,\boldsymbol{\xi}_n \end{bmatrix},則 ξi=b1iα1+b2iα2++bniαn(i=1,2,,s)\boldsymbol{\xi}_i=b_{1i}\boldsymbol{\alpha}_1+b_{2i}\boldsymbol{\alpha}_2+\cdots+b_{ni}\boldsymbol{\alpha}_n(i=1,2,\cdots,s),故 C\boldsymbol{C} 的列向量是 A\boldsymbol{A} 的列向量的線形組合。
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