矩陣方程不可逆問題轉置可解[光聲信號求解物質濃度]

最近在推導光聲方程求解血紅蛋白濃度的時候遇到了一些問題,因此,在這裏對過程做以記錄。

根據基礎理論,通過比爾法則可以知道:吸光度=消光係數*厚度*物質濃度。
在這裏,光聲信號求解血紅蛋白的摩爾濃度,已知兩個波長1064nm和694nm的光聲信號P,以及相應波長下的脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白的消光係數\varepsilon,求解兩種物質的摩爾濃度C
原理式可以表示爲:
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694\_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}\ \varepsilon_{1064\_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

矩陣方程係數矩陣可逆時

如果矩陣\varepsilon可逆,則(Eq. 1)兩邊可以直接乘逆矩陣,有
\varepsilon^{-1}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 2)
化簡後爲:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 3)

矩陣方程係數不可逆或爲任意矩陣時

如果矩陣\varepsilon不可逆或者爲任意矩陣,則(Eq. 1)兩邊可以先乘其轉置在乘以他們的逆矩陣,有
\varepsilon^{T}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{T}P (Eq. 4)
\left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}(\varepsilon^{T}\varepsilon)\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 5)
化簡後爲:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 6)

這裏存在一個問題:
爲什麼對於任意矩陣或者矩陣不可逆的情況,使用逆矩陣的時候,需要先乘其轉置,在將整體取逆?換句話說,矩陣乘其轉置,爲什麼是可逆的?
關於該問題的解釋可以看一下這個網易視頻,證明A^T A可逆。

看完看感覺好難,還涉及到了零空間非線性。頭大。

解方程試試

換個思路解決這個不可逆的問題,那就是解方程,然後把X變爲P,Y變爲C,試試看會怎麼樣。
源表達式
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

公式(Eq. 1)對應的方程組爲:
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}C_{HbR}= P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.6)

對公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbO_2},下式乘以\varepsilon_{694\_HbO_2},消去C_{HbO_2},表示C_{HbR},有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.7)
兩式相減有
\left(\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}\right)C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbR}=\frac{ \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}
C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.8)

同理,對公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbR},下式乘以\varepsilon_{694\_HbR},消去C_{HbR},表示C_{HbO_2},有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.9)
兩式相減有
\left(\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}\right)C_{HbO_2}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbO_2}=\frac{\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}} {\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}
C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.10)

合併(Eq.8)和(Eq.10),得表示濃度的方程組:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right)\\\end{matrix}\right.
調整分母保持一致,方程組爲:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694 \_HbR} \varepsilon_{1064 \_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(- \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}+\varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\\end{matrix}\right. (Eq.11)

化成矩陣形式
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left|\begin{matrix} \varepsilon_{1064\_HbR} \ -\varepsilon_{694 \_HbR} \\ -\varepsilon_{1064 \_HbO_2} \ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right| \left| \begin{matrix} P_{694}/ \phi_{694}\\ P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right| (Eq.12)
已知,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

|\varepsilon|=\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}
所以公式(Eq.12),爲
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\left|\begin{matrix} -\varepsilon_{1064\_HbO_2} \ -\varepsilon_{694 \_HbO_2} \\\varepsilon_{1064\_HbR} \ \varepsilon_{694\_HbR}\\\end{matrix}\right| P (Eq.13)

又因爲2X2矩陣的伴隨矩陣爲主對角元素位置互換,副對角線元素添加符號(解釋),則有
\varepsilon^* = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{1064 \_HbR}\ -\varepsilon_{694 \_HbR}\\ - \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right|
方程(Eq.13)化爲
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^* P (Eq.14)
如果\varepsilon存在逆矩陣,則根據逆矩陣定義\varepsilon^{-1}= \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^*,則有
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq.15)

做到這裏,感覺不知不覺有回到了起點,還是需要保證\varepsilon可逆,即求解未知數的時候,分母也不能爲0。

如果不會做的話,可以在涉及具體的問題的時候,再具體分析,尋找解決的辦法。

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