книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений
.pdfТеорема |
43. |
Система |
Аж = |
Ъ идеально |
обусловлена в том |
и |
|
только в том случае, когда АА* |
= |
к2Е. |
|
|
|||
А || А |
|| || А - 1 || = |
|/шах |
Аг/цііп А,- = |
1 тогда и только |
тогд |
||
когда max Яг = |
m i n Я,-, т. е. все собственные числа матрицы АА* |
||||||
і |
|
і |
|
|
|
|
|
равны между собой. Они положительны, так как АА* положи тельно определена, поэтому обозначим их через к2. Как отмечено при выводе следствий из теоремы 38, существует такая матрица М,
что М А А * М - 1 = |
к2Е. |
Отсюда АА* = М " 1 |
(к2Е) |
М = |
к2Е. |
V |
Теорема 44. |
Если |
|| ВВ* — ft*E|| < |
|| АА* |
- |
А|Е |
||, где к{ |
и к\ — средние арифметические из максимального и минимального
собственных |
значений |
соответственно |
матриц |
ВВ* |
и АА*, |
то |
|||||||||
||В || [| В - |
1 || < |
||А |
ЦЦА"1 |
||, т. е. система Вх = |
с лучше |
обусло |
|||||||||
влена, |
чем |
система |
Ах = Ь. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
А |
Пусть |
D — диагональная матрица собственных |
значений А,- |
||||||||||||
матрицы СС* (здесь С = |
А или С = |
В). По следствию 1 теоремы 38 |
|||||||||||||
существует |
такая ортогональная |
матрица М, что M C C * M _ 1 |
= |
D. |
|||||||||||
Тогда |
и |
М (СС* - |
А:2Е) М " 1 |
- |
D |
- |
к2Е |
= |
D'. |
Здесь |
D ' |
- |
|||
также диагональная матрица |
с элементами |
d{. |
Так |
как [см. (90) ] |
ортогональная матрица перехода преобразует ортонормированный
базис в |
ортонормированный, |
то подобные |
матрицы |
СС* — к2Е |
||||
и |
D ' = |
D — к2Е описывают |
одно |
и то же |
преобразование |
(см. |
||
§ 50) в |
разных ортонормпроваииых |
базисах |
и |
потому, по |
опре |
|||
делению норм матриц (см. стр. 153), ||СС* —/с2 Е |
|| = |
|| D—-к2 Е\\ = |
||||||
= |
|| D ' || = max | dt |. По условию теоремы к = |
(max Я,- -f- m i n Я,)/2 |
||||||
Поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
max \а. = max |
. |
max КІ + min A; |
к |
5 |
max Я; — min А,-
|
Отсюда, |
чем больше |
|| СС* — /с2Е|| = |
m a x ^ |
т т |
^ |
; Т е м |
||||
л |
21| С С* — А2ЕЦ |
шахА,- |
. |
|
|
m a x Я/ |
V |
||||
больше — |
:—: |
= — ^ |
|
1, а следовательно, И |
:—я-Ч |
||||||
|
|
m i n A i |
m m А; |
|
" |
|
m i n A; |
v |
|||
|
В связи с теоремами 43 и 44 стоит |
заметить следующее. Если |
|||||||||
ортогонализовать и нормировать уравнения системы |
Ах = |
Ь, то |
|||||||||
получится новая система Вх = |
с, где |
В = КА |
и с = |
Kb, |
а К |
— |
|||||
матрица ортогонализации |
(см. |
§ 32). |
Вычислительные |
ошибки |
могут при этом привести к одному из двух. В первом случае, когда умножения КА и К б проведены с округлениями, то система Вх =
=с, вообще говоря, не будет эквивалентна исходной системе Ах =
=Ь. И потому, несмотря на то, что система Вх = с идеально обус
ловлена, корни ее тем более отличаются от корней системы Ах =
= Ъ, |
чем хуже эта последняя обусловлена. В данном случае будем |
||
иметь |
эффект решения плохо обусловленной системы методом |
||
ортогонализации. Во втором случае, когда |
умножения КА и Kb |
||
проведены точно, система Вх = с вполне |
эквивалентна |
системе |
|
Ах — Ь. Но если при вычислении матрицы К допускались |
округ- |
ления, то |
В = КА будет тем более отличаться от ортогональной, |
||||||
чем хуже |
обусловлена система |
Ах = |
Ъ. (Действительно, |
так |
как |
||
для ортогональной матрицы В = |
К А имеем 1 |
В* = В - 1 = |
. А - 1 |
К " 1 , |
|||
то А - 1 = |
В*К и потому округления |
при |
вычислении |
К |
равно |
сильны округлениям при вычислении А - 1 ) . Но если будет выпол няться неравенство ||ВВ* — к*Е || < ||АА* — АзЕЦ.то переход к системе Вх — с будет давать эффект улучшения обусловленности
системы.
§57*. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ГИПЕРЭЛЛИПСОИД
Впространстве Еп рассмотрим уравнение
/ ( х , x ) + 2Z(x) + 6 = 0,
где / (х, х) — квадратичная, а I (х) — линейная формы. В орто нормированием базисе оно примет вид
|
х*Ах + 2а*х-\-Ь = 0, |
|
(159) |
где А — матрица |
квадратичной формы, а |
а — столбец |
коэффи |
циентов линейной |
формы. |
|
|
Множество всех точек с координатами |
х = \[Хххг |
. . .хп\\*, |
которые обращают уравнение (159) в числовое равенство, называют
гиперповерхностью |
I I порядка в Еп. |
В частности, при п = |
2 это |
линия I I порядка, |
а при п — 3 — поверхность I I порядка. |
|
|
Если в (159) произвести замену |
переменных |
|
|
|
х = х+х0, |
|
(160) |
то оно примет вид |
|
|
|
{х + х0)* А(х + х0) + 2а* (х + х0) + Ь = 0.
После проведения указанных здесь действий с учетом того, что х*Ах0 = х*0Ах, получим
здесь |
|
|
х*Ах + |
2(Ах0±а)*х |
+ |
Ь~==0. |
|
|
(161) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ь — |
XQAX0 + |
2а* х0 |
+ |
Ъ. |
|
|
|
Если |
det А Ф |
0, существует единственный столбец х0 |
такой, |
что |
||||||
Ах0 -}- а = |
0. |
В этом случае говорят, |
что вектор |
х 0 |
со столбцом |
|||||
координат |
х0 |
определяет |
центр |
гиперповерхности |
(159), а |
сама |
||||
1 |
См. формулу (90). |
|
|
|
|
|
|
|
И Заказ 2 041
эта гиперповерхность называется центральной. Если х0 — стол бец координат центра, то (161) примет вид х*Ах + 6~ = О или, с учетом (160),
(х~х0)*А |
( z - z 0 ) + 6 = 0. |
(162) |
По следствию 1 теоремы 38 можно найти такую ортогональную матрицу М (поворот базиса), что М*АМ = D, где D — диагональ ная матрица, составленная из собственных чисел %г , Я2 , . . ., Я„
матрицы |
А. |
Если |
теперь принять |
х — х0 = |
Мх, то ио |
(162) |
|||
х*М*АШ |
+ 6 |
= 0 |
или x*Dx |
+ |
6 = |
0. |
|
|
|
В развернутом виде это выражение |
примет вид |
|
|||||||
|
|
К &)а |
+ ^ (*2)2 |
+ |
• • • + |
К (4) 2 + |
6 - 0 . |
(163) |
По аналогии с двумерным и трехмерным случаями считается, что поворот базиса не изменяет «геометрический вид» гиперповерх ности, т. е. уравнения (163) и (159) определяют одну и ту же гипер поверхность в разных координатных системах.
В двумерном случае
XjX- + \2у~ + 6 = 0 |
(163') |
представляет собой каноническое уравнение кривой I I |
порядка. |
Из него следует, что если матрица А положительно или отрица тельно определена, т. е. по следствию 2 теоремы 38, если Хх и Я2 имеют одинаковые знаки, к тому же противоположные знаку 6, то кривая (163') является, как известно из аналитической геометрии,
эллипсом с квадратами |
полуосей |
|
|
|||
ог; = |
ь |
|
ъ |
1 1 - 1 * 1 |
. 1 1 . | _ |
|
К |
и сг| = |
, т. е |
||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
По аналогии с плоским случаем говорят, что уравнение (163) и, следовательно, (159') задает гиперэллипсоид, если все Xt имеют одинаковые знаки (А — знакоопределенная), а 6 — противополож ный знак. Числа о? = | 6/Я,-1 называют квадратами полуосей гиперэллипсоида, так что | ЯJ = | b\/ah
Рассмотрим теперь плотность нормального распределения [см. (135)]
d e t K - i |
(Х-Х0)* К - ' |
(.У-*.) |
|
|
|
||
-е |
2 |
|
|
|
|
|
|
(2п)п |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
и найдем геометрическое место |
точек |
х — |
ЦЖц |
х2, |
. . ., хп\\*, |
||
|
гр |
-і /det |
|
К-1 |
п о с т о я н е н ' |
||
в которых эта плотность постоянна. 1ак |
как |
у |
(2 |
я)" |
то это условие можно записать |
в |
виде е 2 |
= |
е |
2 |
, |
|||||
где к — постоянна (можно |
показать, |
что |
0 |
к |
<^оо). |
После |
|||||
потенцирования получается |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
(х — х0)* К - 1 |
(х — х0) = к. |
|
|
|
|
|||
Так |
как |
весовая |
матрица |
К - 1 |
положительно |
определена, |
|||||
то при |
к > |
0 это уравнение задает гиперэллипсоид |
|
|
|||||||
|
|
(*i)2 |
• Ы 2 |
, |
|
, |
|
_ , |
|
|
|
|
|
ol |
а| |
" Г • • • І " |
а 2 |
|
|
|
|
с квадратами полуосей а! = &/Я^, где Kt — собственные числа матрицы К - 1 . Его называют корреляционным гиперэллипсоидом
нормального распределения.
И*
|
Г л а в а |
8 |
|
|
|
ОБОБЩЕННЫЕ ОБРАТНЫЕ МАТРИЦЫ |
|
||
|
§ 58. ПСЕВДООБРАТНЫЕ |
МАТРИЦЫ |
|
|
В § 25 для данной матрицы А уравнениями (67) |
|
|||
|
~S AA = E и А А - Е = Е |
|
||
определялись |
матрицы ~Е А и А~Е . |
Там |
было доказано, что |
~Е А |
и А~Е вместе |
существуют в том и только |
том случае, когда |
А — |
квадратная невырожденная матрица. При этом такие матрицы единственны и _ В А = А~Е = А - 1 .
Если А — неквадратная матрица, то оба равенства (67) одно временно не выполняются. Действительно, если А — горизон тальная матрица, то уравнение ~Е АА = Е или, иначе, А* (~Е А)* =
= Е с неизвестной матрицей ~Е А по теореме 13 и следствию |
тео |
|
ремы |
14 Кронекера — Капелли несовместно. Уравнение |
же |
АА~6 = |
Е совместно тогда и только тогда, когда строки матрицы А |
линейно независимы (будем в этом случае говорить, что А — строчно-невырожденная матрица). При этом решение А~е не единственно.
Аналогично для вертикальных матриц В устанавливается, что уравнение ВВ~Е = Е всегда несовместно, а _ 6 В В = Е совместно в том и только том случае, когда столбцы матрицы В линейно не зависимы (в этом случае будем говорить, что В — столбцово-невы-
рожденная матрица). При этом |
решение |
~6 В не единственно. |
|
Всюду в дальнейшем будем выделять |
неквадратные |
строчно- |
|
или стол бцо во-не вырожденные |
матрицы |
наклонным |
шрифтом, |
например А, В. |
|
|
|
Все решения ~*В уравнения |
|
|
|
~гВВ = Е |
|
(164') |
сстолбцово-невырожденной матрицей В назовем матрицами,
псевдообратными |
слева к матрицей , а все решения А'г |
уравнения |
|
"АА"* = Е |
(164") |
со строчно-невырожденной матрицей А — матрицами, |
псевдооб |
|
ратными справа |
к А [11]. |
|
Как видим, псевдообратные слева (справа) матрицы имеются лишь и только лишь у столбцово-невырожденных (строчно-невы рожденных) матриц.
По соображениям размерности из (164') и (164") следует, что ~гА и А~* имеют размерность матрицы А*. Выражение (164') можно рассматривать также как уравнение с неизвестной матри цей В. Если предположить, что строки _£Z? линейно зависимы, то по теореме 13 и следствию теоремы Кронекера — Капелли это
уравнение не имело бы решения. Поэтому матрицы |
|
|
обяза |
||||||||||||||
тельно строчно-невырожденные. Аналогично все матрицы |
А~а |
||||||||||||||||
обязательно |
столбцово-невырожденные. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
§ 59. ТЕОРЕМА О ФИКСАЦИИ ПСЕВДООБРАТНЫХ |
МАТРИЦ |
||||||||||||||||
Множественность псевдообратных матриц ставит вопрос о со |
|||||||||||||||||
поставлении их между собой. В решении этого вопроса |
важную |
||||||||||||||||
роль играет следующая теорема [11]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Теорема 45 |
(о фиксации псевдообратных матриц). |
|
|
|
|
||||||||||||
1. Пусть |
А |
и Р — строчно-невырожденные |
матрицы одинако |
||||||||||||||
вых размеров, удовлетворяющих условию |
det (АР*) |
ф |
0. |
В |
этом |
||||||||||||
и только этом случае существует единственная матрица |
А~е |
такая, |
|||||||||||||||
что каждый ее столбец содержится в линейной оболочке |
L |
[Р*] |
|||||||||||||||
столбцов матрицыР*, т. е. L [А~е] |
= |
L [Р*], |
Такую |
матрицу |
А~е |
||||||||||||
обозначим через Ар*. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
2. Пусть В |
и R — столбцово-невырожденные |
матрицы |
одина |
||||||||||||||
ковых размеров, такие, что det (R*B) |
Ф 0. В этом и только |
этом |
|||||||||||||||
случае существует единственная матрица ~SB , каждая |
строка |
||||||||||||||||
которой содержится |
в |
линейной |
оболочке |
L |
[R*] |
|
строк |
ма |
|||||||||
трицы R*, |
т. е. L |
[~е В] |
= L |
[R*]. |
Такую |
матрицу |
~гВ |
обозна |
|||||||||
чим через дБ . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Д Рассмотрим любую столбцово-невырожденную матрицу С, |
|||||||||||||||||
такую, что L |
[С] = |
L [Р*] = |
L . Так как столбцы матриц С я Р* |
||||||||||||||
образуют базисы в L , то по теореме 18 существует матрица пере |
|||||||||||||||||
хода М такая, что |
С = |
Р*М. |
Чтобы |
было |
С = |
А~% |
должно |
вы |
|||||||||
полняться |
условие |
|
(164"), т. е. |
АС |
= |
АР*М |
= Е. |
Так |
как |
||||||||
det (АР*) |
Ф |
0, |
то |
это |
возможно |
при М = |
(АР*)'1. |
|
Так полу |
||||||||
чается единственная |
матрица |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
А?=Р*£АР*)-\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
(165') |
||
удовлетворяющая условию L [АРе] |
— L |
IP*]. |
|
существует |
ма |
||||||||||||
Наоборот, |
для |
произвольной |
матрицы |
А~г |
|||||||||||||
трица Р, |
например |
Р = (А~*)*, |
такая, |
чта |
L |
[А~*-] = |
L |
[Р*] |
|||||||||
и det АР* |
ф |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично |
доказывается |
(2). При этом получаем, что |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
JiB=-(R*B)-1R*. |
|
|
|
|
|
|
|
(165")V |
Матрицы А~р и н-б, определяемые формулами (165') и (165"), будем называть псевдообратными к А или В матрицами, фикси рованными в подпространстве L [Р* ] или L [R* ]. При этом фикси рующую роль играют именно L [Р*] или L IR*], а не Р* или R*. Иначе говоря, замена матриц Р или R другими базисными матрз-
цами |
Р' |
= |
N P |
или |
R'= |
RK |
тех |
же |
подпространств L [Р*] |
||||
и L |
[R* ] не изменит матрицу А~р или R*B |
. Действительно, |
|||||||||||
А?- = |
P*N* (ЛР*/^*)"1 = |
P*iV* (N*)"1 |
(АР*)-1 |
= У?* (ЛР*)"1 ; |
|||||||||
^<73 = |
(Кт^В)-1 |
К*Д* = |
|
|
( К * ) - |
1 К*Д* == |
(R*B)~lR*. |
||||||
Пример, |
Найти ^4ps |
для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
4 |
= |
|
если |
Р* |
= |
1 |
1 |
|
||
|
|
|
2 |
О |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
|||
Р е ш е н и е . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
II2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
АР*-. |
|
|
det АР* |
= |
2ф0; |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(АР*у |
•і |
_ |
± |
- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
- 1 |
|
1 |
- 1 |
|
1 |
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
- 1 |
|
|
•1 |
|
0 |
||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
-1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
1 |
0 |
|
- 1 |
1 |
|
|
3 |
- |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 60. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПСЕВДООБРАТНЫХ МАТРИЦ
Из формул (165') и (165") с очевидностью вытекают следующие свойства Псевдообратных матриц.
Пусть А и Р — строчно-невырожденные, а В и R — столб- цово-невырожденные матрицы, удовлетворяющие условию тео ремы 45, а С — невырожденная квадратная матрица подходящего порядка. Тогда
1. |
( А Р ) * |
= |
Р%(А*) и |
(SB)* = (В*)Ъ%. |
|
2. |
|
|
|
|
|
3. |
(СЛ)р« = |
(Ар*) С-* |
и ~RS (ВС) = |
С"* (й'Я). |
|
4. |
(АС)? |
= |
С-1(АРЪ) |
И n-(C£) = |
(&RB)C-K |
5.А* Ш)=,А и (ЖВ)Ъ**=В.
Первое свойство, очевидно, следует из формул (165') и (165"). Что касается второго свойства, то по теореме 45 левая его часть существует тогда и только тогда, когда существует правая. Про верка же равенства 2 состоит в применении к его правой части
формул (165') и (165").
Для проверки третьего свойства необходимо убедиться, что когда А — строчно-невырожденная, a det С Ф 0, то произведение СА — строчно-невырожденная матрица.. Для этого (см. § 10) линейная комбинация I (СА) строк матрицы СА (I — строка коэф фициентов этой комбинации) приравнивается нулю. Умножая обе
части уравнения |
I (СА) = |
0 справа на |
А~ЪС~Х, получим I = |
0. |
Это и указывает на линейную независимость строк матрицы |
СА. |
|||
Так же доказывается, что |
когда В — |
столбцово-невырожденная |
||
и det С Ф 0, то |
произведение ВС — |
столбцово-невырожденная |
матрица. Равенства 3 проверяются непосредственным примене нием формул (165') и (165").
Для доказательства свойства 4 необходимо убедиться, что строки .АС (столбцы СВ) линейно независимы, если строки А
(столбцы В) линейно независимы и det С Ф |
0. Для |
этого рассма |
||
триваем уравнение I (АС) = |
0 ((СВ)т = 0). Умножением его справа |
|||
на С- 1 /1~Е (слева на '"ВС'1) |
получим, что |
I = |
0 (т |
= 0). Далее |
по (165') |
|
|
|
|
(АС)? = Р* (АСР*)'1 |
= С-аС7?* (АСР*)'1 |
= C-Mpfc*. |
||
Аналогично доказывается второе равенство 4. |
|
|
||
Пятое свойство доказывается непосредственным |
применением |
|||
к их левым частям формул |
(165') и (165"). |
|
|
|
§ 6 1 . ПСЕВДООБРАТНЫЕ МАТРИЦЫ |
|
|||
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ |
ВЕКТОРОВ НА |
ПОДПРОСТРАНСТВА |
С понятием псевдообратных матриц связана геометрическая задача проектирования векторов на заданное подпространство,
обобщающая |
задачу о |
перпендикуляре. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
В евклидовом пространстве |
Еп |
|
рассмотрим |
подпространство |
||||||||||||
L |
[33] с каркасом полного |
ранга 33 = |
{Ь^, Ь2 , |
. . ., b m ) . |
Заданный |
||||||||||||
вектор х |
^ Еп |
представим |
в виде |
х |
= |
|
|
|
|
|
|
||||||
= х ' + х", где х ' |
[33], |
т. |
е. |
[см. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
(38)] х ' = |
53с. Так что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
х " = - 3 3 с + |
х, |
|
|
|
(166) |
|
|
|
|
|
|
|||
и |
потому |
[см. |
94)] |
х" |
принадлежит |
|
|
Рис. |
10 |
|
|
||||||
линейному многообразию с базисом 33, |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
переменным столбцом (—с) и сдвигом на вектор х. По теореме |
22 |
||||||||||||||||
то же многообразие можно задать неявным уравнением |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
21х" = |
w, |
|
|
|
|
|
(167) |
||
где |
w = |
21х. Здесь 21 — базис |
ортогонального |
дополнения под |
|||||||||||||
пространства L |
[33] до |
полного пространства |
Еп. |
|
|
|
|||||||||||
|
Зададимся еще одним подпространством L |
[ЇЯ] в Еп |
с |
карка |
|||||||||||||
сом полного |
ранга Ш = {гх , |
г 2 , |
. . ., r m } |
и того |
же порядка, |
что |
|||||||||||
и |
33 |
(поэтому |
размерности |
L |
[53] и |
L |
[9t] одинаковы). |
Потре |
|||||||||
буем, чтобы |
det 9ЇЗЗ Ф 0, т. |
е. |
согласно |
следствию 1 теоремы 21 |
подпространства!/ [33]иІ/ [ОЇ]не должны быть ортогональными. Требуется найти такое разложение (166), в котором х " _L L [91] или иначе SRx" = 0 (рис. 10). Тогда вектор х ' назовем косой про
екцией вектора х на подпространство L [33].
|
Для решения этой задачи |
умножим обе |
части |
(166) на |
9Ї. |
||
С |
учетом условия 9Ъс" = |
0 получим |
Оїх = |
(9Ї23) с, |
откуда |
с = |
|
= |
(9Ї23)'1 ( х) и |
|
|
|
|
|
|
|
х" = |
33с = |
23 (9ЇЄ)"1 |
(9їх). |
|
|
(168) |
Как видим, задача косого проектирования решается одно значно .
Можно дать другое решение этой задачи, исходя из уравнения 167). Так как х " JL L [91], то х " £ L [<£>] или
|
|
|
х" = |
|
|
(169) |
|
где ^ — базис |
ортогонального |
дополнения |
подпространства |
||||
L [91] до |
всего |
пространства |
Еп. |
Подстановка |
(169) в |
(167) |
дает |
ЗІ С^РЛ) = |
(21^) |
к — w. Из |
единственности решения |
задачи |
ко |
сого проектирования следует, что столбец к в разложении (169) вектора х " по б а з и с у ^ должен определяться однозначно. Поэтому
det (21^)^=0 |
и |
к = |
(Щ>)~1 |
|
w. |
Отсюда |
х" |
= |
^(Щ))'1 |
|
w |
= |
|||||||||||
= |
ф ( 2 1 ^ ) _ 1 (31х) и окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
х' = х-с Р(31с Р)-1 (31х). |
|
|
|
|
|
|
(170) |
||||||||||
|
Частным случаем косого |
проектирования |
|
при |
L |
[9І] = |
L |
[23] |
|||||||||||||||
и |
L [21 ] = |
L |
[^р ] |
служит |
|
ортогональное |
|
проектирование |
|
на |
|||||||||||||
L |
Р р ] . В этом |
случае |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
х' = 23(2323)-1(23х); |
|
|
|
|
|
|
(168') |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
х" = х - |
ЗІ (2Ш)"1 |
(31х). |
|
|
|
|
|
|
(170') |
||||||||
|
Так как здесь х" _!_ L |
[23], а х' |
g L |
|
[23], то в разложении |
х |
= |
||||||||||||||||
= |
х ' + |
х " |
х ' J _ х", |
так что формулы (168') и (170') задают |
проек |
||||||||||||||||||
ционное преобразование |
вектора х (см. § 54). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
Для |
координатного |
|
представления |
(168) |
|
и |
(170) |
зададимся |
||||||||||||||
в |
Е„ некоторым |
базисом $ |
|
с |
метрической |
|
матрицей |
G. |
Пусть |
||||||||||||||
В, |
R', А' и Р* — матрицы |
каркасов |
23, 9Ї, 21 и |
а х, |
х' ж |
х"— |
|||||||||||||||||
столбцы |
векторов |
х, |
х', |
х " |
в |
этом |
базисе. |
Тогда |
9Ї23 |
= |
|||||||||||||
= |
R'*GB, |
|
9їх = |
R'*Gx, |
|
|
|
|
= |
A'*GP* |
и |
2Ix = |
A'*Gx. |
Или, |
|||||||||
если ввести обозначения |
R |
= |
GR' |
и А* |
= |
GA', |
то |
9Ї23 = |
|
R*B, |
|||||||||||||
ffix |
= R*x, |
%ср |
= |
АР* |
|
и |
2їх = |
Ах. |
Поэтому |
преобразованиям |
(168) и (170) будут соответствовать такие их координатные пред ставления:
|
x' = B{R*B)-1R*x |
= |
B(gB)x; |
|
(171) |
|
a? = |
х - Р* |
(АР*)-1 Ах = |
х — (А?) |
Ах, |
(172) |
|
а проекционным |
преобразованиям |
(168') и (170'), когда R' |
= В |
|||
и Р = А' и поэтому R = |
G2? и ? |
= |
G"44*, |
соответствуют |
пред |
|
ставления |
|
|
|
|
|
|
|
|
х' = В(айВ)х; |
|
|
(171') |
|
|
** = a:-(i42b-.)-4«. |
|
(172') |
Такова связь псевдообратных матриц с задачей проектирова ния (косого или ортогонального) векторов х Є Еп на заданное подпространство L [23].
§ 62. ОБРАЩЕНИЕ НЕВЫРОЖДЕННОЙ КВАДРАТНОЙ МАТРИЦЫ, РАЗБИТОЙ НА ДВА БЛОКА
Сравнение выражений (171) и (172) приводит к равенству
В(^В)х=[Е~ (АР*)А]х
при любом х Є Rn. Отсюда по теореме 1
|
|
|
B(-R>B) + |
(AP*)A |
= |
E. |
|
(173) |
||
Здесь |
АВ |
= A'*GB |
= 0, |
a |
R*P |
= |
R'*GP |
= 0, |
так как |
по |
построениям и § 34 L |
[23 ] и L |
[^ |
] ортогонально дополняют соот |
|||||||
ветственно |
L |
[21] и L |
[9ї]до Еп. |
Кроме |
того, с учетом следствий |
|||||
из теорем |
13 |
и 12 (см. |
§ 23), rang А |
= |
rang (A')* |
G = |
rang А' |
— |
=т и rang В = rang GR' = rang R' — т, где т — размерность
подпространства L [21] или L [ЭП. По построению |
же |
23 и |
|
||||||||||||||
rang В = |
rang Р = |
п — т, |
|
где |
п — т — размерность |
L [231 |
|||||||||||
или L |
[<}!>]. Поэтому |
[см. (71) и |
(72)] В ж Р — фундаментальные |
||||||||||||||
матрицы |
решений |
соответственно систем |
уравнений |
Ау = |
О |
||||||||||||
и |
R*z |
= |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
Так |
как |
по |
(165') |
и |
(165") |
А?А |
= |
Р* |
(АР*)-1 |
А |
= |
|||
= |
Р* |
[7* (Р*)] |
или |
В (~ReB) |
== Я |
( й * ^ ) - 1 |
Л* |
= |
ЦЯ*)іе *] Л*, |
то |
|||||||
выражению (173) можно придать вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
или |
|
|
|
|
В$В) |
+ |
Р*[-£(Р*)) |
= Е |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Ap*A + |
[(R*)-Bs*]R* |
= |
E. |
|
|
|
|
(173') |
|||
|
Их можно также записать в блочном виде как |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(174) |
|
|
|
|
|
|
|
1 4 ? , ( Л * ) в Ч І д * | = Е. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Как |
уже |
было |
отмечено выше, |
размеры |
матриц В |
|
и Р |
таковы, |
|||||||||
|
|
|
|
|
А .. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что |
|| В, |
Р* || и |
— квадратные |
и |
по |
(174) |
с |
учетом тео- |
|||||||||
|
|
|
|
|
R* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ремы 13 невырожденные, |
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Из |
(174) вытекает следующее |
утверждение |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
\\А |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
Теорема 46.1) Если А = R* — произвольная невырожден
ная квадратная матрица, разбитая на два горизонтальных блока А и R*, то А - 1 = \\Аре, (7?*)в* ||, где Р* — фундаментальная