Alex_McAvoy

想要成为渔夫的猎手

矩阵的直积与拉直运算

【矩阵直积】

定义

设 $A=[a_{ij}]\in C^{m\times n},B\in C^{p\times q}$,则对于矩阵 $A$ 与矩阵 $B$,称

为矩阵 $A$ 与矩阵 $B$ 的直积,或克罗内克(Kronecker)积

性质

矩阵的直积具有如下性质:

设 $A\in C^{m\times n},B\in C^{p\times q},C\in C^{r\times s}$,则:

1)$\lambda(A\otimes B)=(\lambda A)\otimes B=A\otimes (\lambda B)$

2)$A\otimes (B\otimes C)=(A\otimes B)\otimes C=A\otimes B\otimes C$

3)$(A\otimes B)^T=A^T\otimes B^T$,$(A\otimes B)^H=A^H\otimes B^H$

4)当 $D\in C^{k\times k}$ 且 $nq=rk$ 时,$(A\otimes B)(C\otimes D)$ 有意义,且当 $n=r,q=k$ 时,有

5)当 $p=m,q=n$ 时,有

6)当 $p=m,q=n,E\in C^{r\times s}$ 时,有

7)当 $m=n,p=q$ 且 $A^{-1},B^{-1}$ 存在时,有

8)当 $p=m,q=n$ 时,有

9)设 $A\in C^{m\times m},B\in C^{n\times n}$,$\lambda,\mu$ 分别是 $A,B$ 的特征值,相应的特征向量为 $\mathbf{u},\mathbf{v}$,则 $\lambda\mu$ 是 $A\otimes B$ 的特征值,相应的特征向量为 $\mathbf{u}\otimes\mathbf{v}$

10)设 $A\in C^{m\times m},B\in C^{n\times n}$,则

【拉直运算】

定义

设 $A=[a_{ij}]\in C^{m\times n}$,则向量

称为矩阵 $A$ 的拉直运算

可以发现,矩阵的拉直运算是一种线性运算,即对 $\forall A,B\in C^{m\times n}$,有

与直积关系

设 $A\in C^{m\times n},X\in C^{p \times q},B\in C^{q\times n}$,则有

该关系可用于求解矩阵方程问题,即将矩阵方程组

化为线性方程组

其中,$A_i\in C^{m\times p},B_i \in C^{q\times n},X\in C^{p\times q},F\in C^{m\times n}$

当 $p=m,q=n$ 时,上述线性方程组有唯一解的充要条件是


例如:求解矩阵方程 $AX+XB=F$,其中

利用拉直运算,将 $AX+XB=F$ 化为线性方程组

则有

故线性方程组有唯一解,解得

故原矩阵方程的解为

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