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02 矩阵运算与矩阵微积分
1. 三种“乘法”解决三类问题
普通矩阵乘法负责线性映射的复合。除此之外,本课常用两种乘积。
Hadamard 积
同型矩阵逐元素相乘:
它满足交换律、结合律和分配律,但一般不能和普通矩阵乘法混为一谈。Schur 乘积定理指出:若
Kronecker 积
若
它满足混合乘积公式
前提是维数相容。还有
2. 向量化与 Sylvester 方程
把矩阵
因此 Sylvester 方程
可化为一个普通线性系统:
这个改写很重要:矩阵未知量被拉直为向量未知量,Kronecker 积记录了左右乘法。
3. 先约定梯度的形状
矩阵微积分最常见的错误不是求导法则,而是维数错位。本系列采用:
: 为列向量。 :Jacobian 。 : ,满足
“先写微分,再把
4. 常用公式与推导方式
二次型
若
迹形式
令
以及迹的循环性质,得到
最小二乘
驻点满足正规方程
5. 链式法则的维数检查
若
右侧维数为
6. Schur 乘积定理为什么成立
若
于是
7. Sylvester 方程的谱分离条件
将
对角情形能直接看清这个结论。若
某个
8. 两个常用的矩阵微分
由恒等式
若
进一步,若
推导时始终先写微分,再利用
9. 自检
- [ ] 能写出
的公式并检查维数。 - [ ] 能把 Sylvester 方程化为线性系统。
- [ ] 能用微分法推导
。 - [ ] 不混淆 Jacobian、梯度与它们的转置。
- [ ] 能用 Gram 矩阵证明 Schur 乘积定理。
- [ ] 能用谱分离判断 Sylvester 方程是否唯一可解。
下一章:向量范数与矩阵范数。