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Kronecker积

Kronecker积是表示矩阵特殊乘积的一种简洁数学符号,也称直积或张量积。一个m*n矩阵A和一个p*q的矩阵B的Kronecker积记作A\otimes B,它是一个mp*nq的矩阵。

右Kronecker积定义:m*n矩阵A和p*q的矩阵B的右Kronecker积A\otimes B定义为:

A\otimes B=[a_{ij}B]=\begin{bmatrix} a_{11}B &a_{12}B & .. . & a_{1n}B\\ a_{21}B & a_{22}B & .. .&a_{2n}B \\ .. . & .. . & .. .&.. . \\ a_{m1}B & a_{m1}B & .. .& a_{mn}B \end{bmatrix}

左Kronecker积定义:m*n矩阵A和p*q的矩阵B的左Kronecker积A\otimes B定义为:

[A\otimes B]_{left}=[Ab_{ij}]=\begin{bmatrix} Ab_{11} &Ab_{12}& .. . & Ab_{1q}\\ Ab_{21} & Ab_{22} & .. .&Ab_{2q} \\ .. . & .. . & .. .&.. . \\ Ab_{p1} & Ab_{p1} & .. .& Ab_{pq} \end{bmatrix}

左Kronecker积可以写成\left [A\otimes B \right ]_{left}或者B\otimes A

若矩阵A_{m\times n}=ab^{T},则:

vec(ab^{T})=b\otimes a

定理:令A_{m\times p},B_{p\times q},C_{q\times n},则:

vec(ABC)=(C^{T}\otimes A)vec(B)

Kronecker积有以下性质:

1.对于矩阵A_{m\times p},B_{p\times q},一般有:

A\otimes B\neq B\otimes A

2.任意矩阵与零矩阵的Kronecker积对于零矩阵,即:

A\otimes O=O\otimes A=O

3.若\alpha , \beta为常数,则:

\alpha A \otimes \beta B=\alpha \beta\left ( A \otimes B \right )

4对于矩阵A_{m\times n},B_{n\times k},C_{l\times p},D_{p\times q},有:

.AB\otimes CD =(A\otimes C)(B\otimes D)

5.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},C_{p\times q},有:

A\oplus\left ( B\pm C \right )=A\oplus B\pm A\oplus C

\left ( B\pm C \right )\otimes A=B\otimes A\pm C\otimes A

6.若矩阵A和B分别有广义逆矩阵A^{\dagger }B^{\dagger },则:

(A\otimes B)^{​{\dagger }}=A^{​{\dagger }}\otimes B^{​{\dagger }}

若A,B均为可逆的正方矩阵,则:

\left (A\otimes B \right )^{-1}=A^{-1}\otimes B^{-1}

7.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},有

\left (A\otimes B \right )^{T}=A^{T}\otimes B^{T}

\left (A\otimes B \right )^{H}=A^{H}\otimes B^{H}

8.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},有A_{m\times n},B_{p\times q},C_{n\times r},D_{q\times s}

rank(A\otimes B)=rank(A)rank(B)

9.若A是m*m矩阵,B是n*n矩阵,则:

det(A\otimes B)=(det(A))^{n}(det(B))^{m}

10.若A是m*m矩阵,B是n*n矩阵,则:

tr(A\otimes B)=tr(A)tr(B)

11.对于矩阵A_{m\times n},B_{m\times n},C_{p\times q},D_{p\times q},有

\left (A+B \right )\otimes \left (C+D \right )=A\otimes C+A\otimes D+B\otimes C+B\otimes D

\left [ \sum_{i=1}^{M} A(i)\right ]\otimes \left [ \sum_{j=1}^{N} B(j)\right ]= \sum_{i=1}^{M} \sum_{j=1}^{N}[A(i)\otimes B(j)]

12.对于矩阵A_{m\times n},B_{k\times l},C_{p\times q},D_{r\times s},有:

\left (A\otimes B \right )\otimes \left (C\otimes D \right )=A\otimes B\otimes C\otimes D

13.若\alpha _{i}是矩阵A与特征值\lambda _{i}对应的特征向量,\beta _{i}是矩阵B与特征值\mu _{i}对应的特征向量,则\alpha_{i}\otimes \beta _{i}是矩阵A\otimes B与特征值\lambda_{i} \mu _{i}对应的特征向量,也是与特征值\lambda_{i}+ \mu _{i}对应的特征向量。

14.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},C_{k\times l},有:

\left (A\otimes B \right )\otimes C=A\otimes \left (B\otimes C \right )

15.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},C_{n\times r},D_{q\times s},有:

\left (A\otimes B \right )\left (C\otimes D \right )=AC\otimes BD

16.对于矩阵A_{m\times n},B_{p\times q},有:

exp(A\otimes B)=exp(A)\otimes exp(B)

广义Kronecker积:给定N个m*r矩阵A_{i},i=1,2,.. .,N,它们组成矩阵组\left \{ A \right \}_{N}。该矩阵组与N*l矩阵B的Kronecker积称为广义Kronecker积,定义为:

\left \{ A \right \}_{N}\otimes B=\begin{bmatrix} A _{1}\otimes b_{1}\\ A _{2}\otimes b_{2}\\ .. .\\ A _{N}\otimes b_{N} \end{bmatrix}

式中,b_{i}是矩阵B的第i个行向量

与两个矩阵的Kronecker积不同,广义Kronecker积是多个矩阵组成的矩阵组与另一个矩阵的Kronecker积。

设:

\left \{ A \right \}_{2}=\begin{Bmatrix} \begin{bmatrix} 1&1\\ 2&-1 \end{bmatrix}\\ \begin{bmatrix} 2 &-j\\ 1&j \end{bmatrix} \end{Bmatrix},B=\begin{bmatrix} 1 &2 \\ 1& -1 \end{bmatrix}

则广义Kronecker积为:

\left \{ A \right \}_{2}=\begin{Bmatrix} \begin{bmatrix} 1&1\\ 2&-1 \end{bmatrix}\otimes \begin{bmatrix} 1 &2 \end{bmatrix} \\ \begin{bmatrix} 2 &-j\\ 1&j \end{bmatrix} \otimes \begin{bmatrix} 1& -1 \end{bmatrix}\end{Bmatrix}=\begin{bmatrix} 1&1 &2 &2 \\ 2 & -1& 4& -2\\ 2 &-j &-2 &j \\ 1 & j& -1& -j \end{bmatrix}

广义Kronecker积的性质:

1.若\left \{ A \right \}的每一个矩阵为m_{1}\times n_{1}矩阵,\left \{ B \right \}的每一个矩阵为m_{2}\times n_{2}矩阵,并且\left \{ C\right \}的每一个矩阵为m_{3}\times n_{3}矩阵,则:

\left ( \left \{ A \right \}\otimes \left \{ B \right \}\right )\otimes \left \{ C \right \}= \left \{ A \right \}\otimes \left ( \left \{ B \right \}\otimes \left \{ C \right \} \right )

2.广义Kronecker积与矩阵直和之间存在以下关系:

\left \{ A \right \}_{N}\otimes I_{N}=\bigoplus _{i=1}^{N}A_{i}

http://www.hkea.cn/news/629308/

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