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2.6 矩阵的分块法

[美] David C. Lay、Steven R. Lay 等著,刘深泉等译机械工业出版社《线性代数及其应用(原书第5版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

分块矩阵理论是矩阵代数中的重要组成部分。在理论研究与工程计算中,常会遇到阶数很高的矩阵,为了简化书写与运算、突出矩阵内部结构,通常采用分块的方法——即用一些贯穿于矩阵的纵横虚线将矩阵分割为若干个小矩阵(称为子块或子矩阵),以子块为元素构成的形式上的矩阵称为分块矩阵。本节系统阐述分块矩阵的加法、数乘、转置与乘法,重点讨论准对角矩阵求逆、准三角矩阵性质以及分块初等变换技巧。

分块矩阵的一般形式可记为:

A = A₁1 & A₁2 & … & A₁s A₂1 & A₂2 & … & A₂s vdots & vdots & ddots & vdots Aᵣ1 & Aᵣ2 & … & Aᵣs = (Aᵢj)ᵣ × s.

其中,每一行小块称为一个块行,每一列小块称为一个块列。

两种常见特殊分块方法

对于任意 m × n 矩阵 A = (aᵢj),最常用的两种特殊分块是:

  1. 行向量表示法(按行分块):
A = α₁ α₂ vdots αₘ , 其中 αᵢ = (aᵢ1, aᵢ2, …, aᵢn) (i = 1, 2, …, m);
  1. 列向量表示法(按列分块):
A = (β₁, β₂, …, βₙ), 其中 βⱼ = a₁j a₂j vdots aₘj (j = 1, 2, …, n).

分块矩阵的所有运算法则是普通矩阵运算在子块层面的自然扩展,其形式规则与普通数的运算保持一致。

设 m × n 矩阵 A 与 B 具有完全相同的分块方式:

A = A₁1 & … & A₁s vdots & ddots & vdots Aᵣ1 & … & Aᵣs , B = B₁1 & … & B₁s vdots & ddots & vdots Bᵣ1 & … & Bᵣs ,

其中各对应子块 Aᵢj 与 Bᵢj 的行数、列数均相同(1 ≤ i ≤ r, 1 ≤ j ≤ s),则

A + B = A₁1 + B₁1 & … & A₁s + B₁s vdots & ddots & vdots Aᵣ1 + Bᵣ1 & … & Aᵣs + Bᵣs .

数 k 与分块矩阵 A 的乘积为

kA = kA₁1 & … & kA₁s vdots & ddots & vdots kAᵣ1 & … & kAᵣs .
例 28 列向量分块矩阵加法与行列式计算

设 A = (α₁, α₂, α₃, β),B = (α₁, α₂, α₃, γ) 都是四阶方阵的列向量分块矩阵。已知 |A| = 1 和 |B| = -2,求行列式 |A + B| 的值。

解

根据分块矩阵加法定义:

A + B = (2α₁, 2α₂, 2α₃, β + γ).

利用行列式性质,提出各列公因数:

|A + B| = 2³ · |α₁, α₂, α₃, β + γ|.

再按最后一列的拆行拆项性质展开:

|A + B| &= 8 ( |α₁, α₂, α₃, β| + |α₁, α₂, α₃, γ| ) &= 8 (|A| + |B|) = 8 (1 - 2) = -8.
分块矩阵转置规则:“内外一起转”

设分块矩阵 A = (Aᵢj)ᵣ × s,则其转置矩阵为

A^T = A₁1^T & A₂1^T & … & Aᵣ1^T A₁2^T & A₂2^T & … & Aᵣ2^T vdots & vdots & ddots & vdots A₁s^T & A₂s^T & … & Aᵣs^T .

即:不仅将各子块视为元素作行列互换(外层转置),而且每个子块自身也必须进行转置(内层转置)。

例 29 分块矩阵转置

设

A = 1 & 2 & vdots & 3 & 4 & 5 6 & 7 & vdots & 8 & 9 & 10 … & … & vdots & … & … & … 10 & 9 & vdots & 8 & 7 & 6 5 & 4 & vdots & 3 & 2 & 1 = A₁1 & A₁2 A₂1 & A₂2 ,

则

A^T = A₁1^T & A₂1^T A₁2^T & A₂2^T = 1 & 6 & vdots & 10 & 5 2 & 7 & vdots & 9 & 4 … & … & vdots & … & … 3 & 8 & vdots & 8 & 3 4 & 9 & vdots & 7 & 2 5 & 10 & vdots & 6 & 1 .
分块矩阵乘法法则与相容条件

设矩阵 A = (aᵢj)ₘ × p,B = (bᵢj)ₚ × n。计算乘积 AB 时,必须使左边矩阵 A 的列分块方式与右边矩阵 B 的行分块方式完全一致:

设 A 的列划分为 l₁, l₂, …, lₛ 列,B 的行对应划分为 l₁, l₂, …, lₛ 行,则乘积

AB = C = (Cᵢj)ᵣ × t,

其中子块计算满足类矩阵乘法公式:

Cᵢj = ∑ₖ=1^s AᵢkBₖj = Aᵢ1B₁j + Aᵢ2B₂j + … + AᵢsBₛj.
例 30 分块矩阵乘法计算

对于矩阵

A = 1 & 0 & 2 & 1 0 & 1 & 3 & 4 0 & 0 & -1 & 0 0 & 0 & 0 & -1 , B = 1 & 2 & 0 & 0 3 & 0 & 0 & 0 4 & 5 & 1 & 0 0 & 2 & 0 & 1 ,

用分块矩阵计算 AB。

解

将矩阵 A, B 均采用 2 × 2 分块:

A = E & C O & -E , B = D & O F & E ,

其中

C = 2 & 1 3 & 4 , D = 1 & 2 3 & 0 , E = 1 & 0 0 & 1 , F = 4 & 5 0 & 2 .

于是

AB = E & C O & -E D & O F & E = ED + CF & CE -EF & -E = D + CF & C -F & -E .

由于

D + CF = 1 & 2 3 & 0 + 2 & 1 3 & 4 4 & 5 0 & 2 = 1 & 2 3 & 0 + 8 & 12 12 & 23 = 9 & 14 15 & 23 ,

故

AB = 9 & 14 & 2 & 1 15 & 23 & 3 & 4 -4 & -5 & -1 & 0 0 & -2 & 0 & -1 .

四、对角分块矩阵与准三角分块矩阵

Section titled “四、对角分块矩阵与准三角分块矩阵”
对角分块矩阵(准对角矩阵)及其逆

形如

A = A₁ & & & & A₂ & & & & ddots & & & & Aᵣ = diag(A₁, A₂, …, Aᵣ)

的分块矩阵称为准对角矩阵(或分块对角矩阵),其中各对角子块 A₁, A₂, …, Aᵣ 均为方阵(阶数可以不同)。

  1. 乘积:两个分块方式相同的准对角矩阵的乘积仍为准对角矩阵:
diag(A₁, …, Aᵣ) diag(B₁, …, Bᵣ) = diag(A₁B₁, …, AᵣBᵣ);
  1. 逆矩阵:准对角矩阵可逆当且仅当每一个子块 Aᵢ 均可逆,且其逆矩阵为各子块逆矩阵构成的准对角矩阵:
A⁻1 = A₁⁻1 & & & & A₂⁻1 & & & & ddots & & & & Aᵣ⁻1 ;
  1. 行列式:准对角矩阵及准上(下)三角矩阵的行列式等于主对角线上各个子块行列式的乘积:
|A| = ∏ᵢ=1^r |Aᵢ|.
例 31 准对角矩阵求逆

求矩阵

A = 1 & -1 & & & 1 & -3 & & & & & 2 & 1 & & & 3 & 2 & & & & & 4

的逆矩阵。

解

将 A 分块为准对角矩阵:

A = A₁ & & & A₂ & & & A₃ ,

其中

A₁ = 1 & -1 1 & -3 , A₂ = 2 & 1 3 & 2 , A₃ = (4).

分别求各个对角子块的逆矩阵:

A₁⁻1 = 3/2 & -1/2 1/2 & -1/2 , A₂⁻1 = 2 & -1 -3 & 2 , A₃⁻1 = (1/4).

所以

A⁻1 = 3/2 & -1/2 & & & 1/2 & -1/2 & & & & & 2 & -1 & & & -3 & 2 & & & & & 1/4 .
例 32 准下三角分块矩阵求逆

设 A = A₁ & O A₃ & A₄ 为 n 阶方阵,A₁ 为 r 阶可逆子块,A₄ 为 n - r 阶可逆子块,求 A⁻1。

解

由于 |A| = |A₁| · |A₄| ≠ 0,A 必可逆。设 A 的逆矩阵为同样划分的分块矩阵

X = X₁ & X₂ X₃ & X₄ .

由 AX = E,有

A₁ & O A₃ & A₄ X₁ & X₂ X₃ & X₄ = A₁X₁ & A₁X₂ A₃X₁ + A₄X₃ & A₃X₂ + A₄X₄ = Eᵣ & O O & Eₙ-r .

比较两边对应的子块,得方程组:

A₁X₁ = Eᵣ, A₁X₂ = O, A₃X₁ + A₄X₃ = O, A₃X₂ + A₄X₄ = Eₙ-r.

解得:

X₁ = A₁⁻1, X₂ = O, X₄ = A₄⁻1, X₃ = -A₄⁻1A₃A₁⁻1.

所以

A⁻1 = A₁⁻1 & O -A₄⁻1A₃A₁⁻1 & A₄⁻1 .

五、分块矩阵的初等变换及其应用

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以常用的 2 × 2 分块矩阵为例,可以相应定义三类分块初等矩阵:

  1. 分块对换初等矩阵:O & Eₛ Eᵣ & O;
  2. 分块倍乘初等矩阵:kEᵣ & O O & Eₛ;
  3. 分块倍加初等矩阵:Eᵣ & O C₁ & Eₛ 或 Eᵣ & C₂ O & Eₛ。

将这些分块初等矩阵左乘或右乘分块矩阵,等价于对该矩阵施行对应的分块初等变换。

例如,设 A 为可逆矩阵,利用分块倍加变换可以消去分块矩阵中的非对角块:

E & O -CA⁻1 & E A & B C & D = A & B O & D - CA⁻1B .
例 33 分块矩阵的行列式降阶

设 A, B, C, D 为 n 阶方阵,A 为可逆矩阵,且 AC = CA。证明:

A & B C & D = |AD - CB|.
证明

用倍加分块初等矩阵把 C 消为零矩阵:

Eₙ & O -CA⁻1 & Eₙ A & B C & D = A & B O & D - CA⁻1B .

对两边的分块矩阵取行列式,并利用分块初等矩阵行列式等于 1:

A & B C & D = A & B O & D - CA⁻1B = |A| · |D - CA⁻1B| = |AD - ACA⁻1B|.

因为 AC = CA,故 ACA⁻1 = CAA⁻1 = C,从而

A & B C & D = |AD - CB|.
例 34 广义特征行列式的对称恒等式

已知 A, B 均为 n 阶方阵,证明:

|E - AB| = |E - BA|.
证明

方法一(若 A 或 B 可逆):不妨设 A 可逆,则

|E - AB| = |A(E - BA)A⁻1| = |A| · |E - BA| · |A|⁻1 = |E - BA|.

方法二(一般情形:构造分块矩阵消元):构造 2n 阶分块矩阵

M = Eₙ & A B & Eₙ .

用倍加分块初等矩阵消去 B:

Eₙ & O -B & Eₙ Eₙ & A B & Eₙ = Eₙ & A O & Eₙ - BA .

类似地,用倍加分块初等矩阵消去 A:

Eₙ & A B & Eₙ Eₙ & -A O & Eₙ = Eₙ & O B & Eₙ - AB .

对上面两式两边分别取行列式,得

|M| = |Eₙ| · |Eₙ - BA| = |Eₙ - BA|,|M| = |Eₙ| · |Eₙ - AB| = |Eₙ - AB|.

故必有

|E - AB| = |E - BA|.
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