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11 矩阵函数与矩阵指数

1. 好定义必须只依赖函数本身

对多项式 p(t)=k=0mcktk,自然定义

p(A)=k=0mckAk.

对更一般函数,不能只说“把 t 换成 A”:同一函数可能有不同展开,收敛域也可能不同。一个稳健定义是解析函数演算。

若闭曲线 Γ 包围 A 的全部谱且 f 在曲线内部解析,则

f(A)=12πiΓf(z)(zIA)1dz.

它保证定义只依赖 f 在谱附近的取值,并自动满足相似不变性。

2. 三种计算路径

可对角化矩阵

A=PΛP1,则

f(A)=Pdiag(f(λ1),,f(λn))P1.

Jordan 形

J=λI+N

f(J)=j=0k1f(j)(λ)j!Nj.

所以函数要在每个特征值处有足够阶的导数,阶数由最大 Jordan 块决定。

插值多项式

由 Cayley–Hamilton,f(A) 总可化为次数小于 degmA 的矩阵多项式。只需在每个特征值匹配函数值及必要阶导数,即 Hermite 插值。

3. 矩阵指数

eA=k=0Akk!.

它总是可逆,且 (eA)1=eA。若 AB=BA,则

eA+B=eAeB;

不交换时一般不成立。

线性常微分方程

x(t)=Ax(t)+Bu(t)

的解为

x(t)=etAx(0)+0te(ts)ABu(s)ds.

因此 etA 是连续时间线性系统的状态转移矩阵。

4. 平方根、对数与分支

A0,唯一的半正定平方根由谱分解给出:

A1/2=Qdiag(λi)Q.

一般矩阵的平方根和对数可能不存在、可能不唯一,也依赖复平面上的函数分支。使用 logA 前必须检查谱是否穿过所选分支割线。

5. Lyapunov 方程

A 的特征值实部均为负,则连续 Lyapunov 方程

AX+XA=Q,Q0

有积分表示

X=0etAQetAdt.

该式直接说明 X0,并把系统稳定性、矩阵指数与正定矩阵连接起来。

6. 谱映射

在适当条件下,

σ(f(A))=f(σ(A))={f(λ):λσ(A)}.

例如 σ(eA)={eλ:λσ(A)}。但“特征值被怎样映射”只描述谱,不足以完全描述非正规矩阵的范数行为。

7. Riesz 谱投影

若闭曲线 Γ 只包围 A 的一部分特征值,定义

PΓ=12πiΓ(zIA)1dz.

这是一个投影:PΓ2=PΓ,并且 APΓ=PΓA。其像空间恰好是曲线内特征值对应的广义特征子空间。若 A 可对角化,则它只是在谱分解中把曲线外的对角项置零;即使 A 不可对角化,定义仍然成立。

Riesz 投影说明围道积分不仅能计算 f(A),还能“选择一簇谱”并取出对应不变子空间。这是谱分解在一般非正规矩阵上的解析版本。

8. 三阶 Jordan 块上的函数

J=λI+N,其中

N=(010001000),N3=0.

etJ=etλ(I+tN+t22N2),

更一般地,

f(J)=f(λ)I+f(λ)N+f(λ)2N2.

这也给出次数至多 2 的 Hermite 插值多项式:它在 λ 处同时匹配 f,f,f。同一个结果既可由幂零 Taylor 展开得到,也可由第 1 章的预解式留数得到。

9. Lyapunov 解为什么唯一

对线性算子

L(X)=AX+XA,

向量化得到

vec(L(X))=(IA+AI)vec(X).

其特征值是 λi(A)+λj(A)。若 A 的全部特征值实部为负,这些和不可能为零,所以 L 可逆,Lyapunov 方程的解唯一。

对积分表示求导可直接验算:

ddt(etAQetA)=AetAQetA+etAQetAA.

0 积分,稳定性使无穷远端趋于零,故 AX+XA=Q

关于分支还可更精确地说:任意可逆复矩阵都有某个复对数;若谱不碰非正实轴,则存在唯一的主对数。矩阵平方根也可能有多支;若谱避开非正实轴,则存在唯一的主平方根,其特征值实部为正。

10. 自检

  • [ ] 知道为什么幂级数替换不是唯一出发点。
  • [ ] 能对一个 Jordan 块计算 f(J)
  • [ ] 不在 ABBA 时误用 eA+B=eAeB
  • [ ] 能从积分表示解释 Lyapunov 解的半正定性。
  • [ ] 能解释 Riesz 投影如何选出一簇特征值的不变子空间。
  • [ ] 能写出 3×3 Jordan 块上的 etJ

下一章:非负矩阵与 Perron 理论