行列式与迹

Determinant and Trace of Matrices

Posted by J Leaves on March 29, 2019
行列式的加法不等式

对于相同维数的半正定矩阵 $A,B,C$,

\[\det(A+B+C)+\det(C)\geq \det(A+C)+\det(B+C) \\ \det(A+B) \geq \det(A)+\det(B)\]
行列式的乘法定理

方块矩阵的乘积的行列式等于行列式的乘积

若 $A, B$ 是相同维数的方块矩阵,

\[\det(AB)=\det(A)\det(B)\]
行列式与转置
\[\det(A^T)=\det(A)\]
行列式与秩

行列式$\neq$0 $\Leftrightarrow$ 满秩 $\Leftrightarrow$ 可逆

行列式$=$0 $\Leftrightarrow$ 低秩 $\Leftrightarrow$ 不可逆

行列式与逆

若 $A$ 是可逆矩阵,

\[\det(A^{-1})=\det(A)^{-1}\]
行列式的相似不变性

若 $A$ 与 $B$ 相似(即存在可逆矩阵 $P$ 使得 $A=PBP^{-1}$),

\[\det(\mathbf {A} )=\det(\mathbf {PB} \mathbf {P} ^{-1})=\det(\mathbf {P} )\cdot \det(\mathbf {B} )\cdot \det(\mathbf {P} ^{-1})=\det(\mathbf {B} )\cdot \det(\mathbf {P} )\cdot \det(\mathbf {P} )^{-1}=\det(\mathbf {B} )\]
行列式与特征值

行列式 = 所有特征值(按代数重数计)的乘积

行列式与分块矩阵

分块矩阵,若其对角元素中至少有一个是可逆矩阵,

\[\begin{align} \det {\begin{pmatrix}A&B\\C&D\end{pmatrix}}&=\det(A)\det(D-CA^{-1}B) \\ &=\det(D)\det(A-BD^{-1}C) \end{align}\]

此结论可由分块矩阵的舒尔补导出。

行列式的西尔维斯特等式

若 $A$ 和 $B$ 分别是 $m\times n$ 和 $n\times m$ 维的矩阵,

\(\det(I_m+AB)=\det(I_n+BA),\) 其中 $I_k$ 是 $k$ 阶单位矩阵

行列式的拉普拉斯展开

将方块矩阵表示成关于它的某一行(或某一列)的n个元素的(n-1)×(n-1)余子式的和。

行列式与克莱姆法则

从伴随矩阵到克莱姆法则

 

迹的加法定理

对于任两个 $n\times n$ 的矩阵 $\mathbf{A}$、 $\mathbf {B}$ 和标量 $r$,都有:

\[\mathrm{tr}(\mathbf{A} + \mathbf{B}) = \mathrm{tr}(\mathbf{A}) + \mathrm{tr}(\mathbf{B}) \\ \mathrm{tr}(r \cdot \mathbf{A} ) = r \cdot \mathrm{tr}(\mathbf{A})\]
迹与逆
\[\mathrm{tr}(\mathbf A^T)=\mathrm{tr}(\mathbf A)\]
迹与矩阵乘法
\[\operatorname {tr} \left(\mathbf {A} ^{\mathsf {T}}\mathbf {B} \right)=\operatorname {tr} \left(\mathbf {A} \mathbf {B} ^{\mathsf {T}}\right)=\operatorname {tr} \left(\mathbf {B} ^{\mathsf {T}}\mathbf {A} \right)=\operatorname {tr} \left(\mathbf {B} \mathbf {A} ^{\mathsf {T}}\right)=\sum _{i,j}A_{ij}B_{ij}\]
迹的乘法循环交换律

对于相同维数的方阵 $A, B, C$,循环式地改变它们的顺序,乘积的迹不变。

\[\mathrm {tr} (\mathbf {AB} )=\mathrm {tr} (\mathbf {BA} ) \\ \mathrm {tr} (\mathbf {ABC} )=\mathrm {tr} (\mathbf {BCA} )=\mathrm {tr} (\mathbf {CAB} )\]

特别地,对于相同维数的对称方阵 $A, B, C$,任意地改变它们的顺序,乘积的迹不变。

\[\mathrm {tr} (\mathbf {ABC} )=\mathrm {tr} (\mathbf {BCA} )=\mathrm {tr} (\mathbf {CAB} )=\mathrm {tr} (\mathbf {ACB} )=\mathrm {tr} (\mathbf {CBA} )=\mathrm {tr} (\mathbf {BAC} )\]
迹的相似不变性

若 $A$ 和 $B$ 相似(即存在可逆矩阵 $P$ 使得 $B=PAP^{-1}$),

\[\mathrm {tr} (\mathbf {B} )=\mathrm {tr} (\mathbf {P} \mathbf {A} \mathbf {P} ^{-1})=\mathrm {tr} (\mathbf {P} ^{-1}\mathbf {P} \mathbf {A} )=\mathrm {tr} (\mathbf {A} )\]
迹与特征多项式

方阵 $A$ 的特征多项式定义为

\[P_{A}(\lambda )=\det(\mathbf {A} -\lambda \mathbf {I} )\]

矩阵的迹 = 所有特征值(按代数重数计)的和

\[\operatorname {tr} (\mathbf {A} )=\sum _{i}\lambda _{i} \\ \operatorname {tr} \left(\mathbf {A} ^{k}\right)=\sum _{i}\lambda _{i}^{k}\]
迹的不等式

若 $A, B$ 是相同维数的半正定实矩阵,

\[0\leq \left[\operatorname {tr} (\mathbf {A} \mathbf {B} )\right]^{2}\leq \operatorname {tr} \left(\mathbf {A} ^{2}\right)\operatorname {tr} \left(\mathbf {B} ^{2}\right)\leq \left[\operatorname {tr} (\mathbf {A} )\right]^{2}\left[\operatorname {tr} (\mathbf {B} )\right]^{2}\]

此结论可由柯西-施瓦茨不等式证明。