矩阵分析学习笔记(二)-矩阵的分解

满秩分解

如果矩阵A的行(列)向量组线性无关,则称A为行(列)满秩矩阵。

定理:设Am \times n矩阵,A的秩为r,则存在m\times r列满秩F和r \times n行满秩G,使A=FG,称为矩阵A的满秩分解。

F=(p_1,p_2,\cdots,p_r), G=(q_1,q_2,\cdots,q_r)^T,则
A=\left( \matrix{ p_1,p_2,\cdots,p_r }\right) \left[ \matrix{ q_1^T\\q_2^T\\\cdots\\q_r^T }\right]=\sum_{i=1}^np_iq_i^T
例:设A=\left(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4,\alpha_5\right)=\left[\matrix{2&1&6&1&0\\3&2&10&1&0\\2&3&10&-1&3\\4&4&16&0&1}\right],求A的满秩分解。

解:先用初等行变换将A化为简化阶梯型矩阵。

\left[\matrix{2&1&6&1&0\\3&2&10&1&0\\2&3&10&-1&3\\4&4&16&0&1}\right]\rightarrow\left[\matrix{2&1&6&1&0\\1&1&4&0&0&\\0&2&4&-2&3\\0&2&4&-2&1}\right]\rightarrow\left[\matrix{1&0&2&1&0\\0&1&2&-1&0\\0&0&0&0&1\\0&0&0&0&0}\right]\rightarrow(\beta_1,\beta_2,\beta_3,\beta_4,\beta_5)=\left(\matrix{G\\0}\right)

其中G=\left[\matrix{1&0&2&1&0\\0&1&2&-1&0\\0&0&0&0&1}\right]3\times5行满秩矩阵;

\beta_1,\beta_2,\beta_5线性无关,且\beta_3=2\beta_1+2\beta_2,\beta_4=\beta_1-\beta_2。由于初等行变换保持列向量线性组合关系,故\alpha_1,\alpha_2,\alpha_5线性无关,且\alpha_3=2\alpha_1+2\alpha_2,\alpha_4=\alpha_1-\alpha_2

F=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_5)=\left[\matrix{2&1&3\\3&2&0\\2&3&3\\4&4&1}\right]4\times3列满秩矩阵,

FG=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_5)\left[\matrix{1&0&2&1&0\\0&1&2&-1&0\\0&0&0&0&1}\right]=(\alpha_1,\alpha_2,2\alpha_1+2\alpha_2,\alpha_1-\alpha_2,\alpha_5)=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4,\alpha_5)=A

定理二:(正交满秩分解定理)设Am\times n阶实矩阵,A的秩为r,则存在m\times r列正交矩阵W和行满秩矩阵的r \times n阶矩阵R,使得A=WR。其中,W列正交含义为W^TW=E_r

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