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矩阵的迹的性质的证明(人工智能基础-理解迹运算)

100次浏览     发布时间:2024-08-17 10:04:33    

理论介绍:

矩阵的迹运算自然来源于(几何或代数的)不变量理论 (invariant theory)。 对于一般的张量空间,迹运算可以构造出所有的不变量。

迹运算返回的矩阵对角元素的和:

迹运算因为很多原因而受到关注。若不使用求和符号,有些矩阵运算很难描述,而通过矩阵乘法和迹运算符号,可以清楚地表示。例如,迹运算提供了另一种描述矩阵robeniusFrobenius 范数的方式:

Frobenius 范数,即矩阵元素绝对值的平方和再开平方。

用迹运算表示表达式,我们可以使用很多有用的等式来操纵表达式。例如,迹运算在转置运算下是不变的:

多个矩阵乘积的迹,和将这些矩阵中最后一个挪到最前面之后乘积的迹是相同的。当然,我们需要考虑挪动之后矩阵乘积依然定义良好:

即使循环置换后矩阵乘积得到的矩阵形状变了,迹运算的结果依然不变。例如,假设矩阵A∈Rm×nA∈Rm×n,矩阵B∈Rn×mB∈Rn×m,我们可以得到:

即使AB∈Rm×mAB∈Rm×m和BA∈Rn×nBA∈Rn×n。

另一个有用的事实是标量在迹运算后仍然是它自己:a=Tr(a)a=Tr(a)。

应用意义:

在线性代数中,一个n×n的对角矩阵A的主对角线(从左上方至右下方的对角线)上各个元素的总和被称为矩阵A的迹(或迹数),一般记作tr(A)。

例子如下:

对角元素是a,e,i,这三者之和就叫矩阵的迹。

我一直在想,为什么非要抓住这个矩阵的对角线不放呢?难道有什么高深的学问吗?

后来仔细一想,矩阵的对角线可以表示一个物体的相似性,比如在图形学的缩放变换里使用的矩阵是这样的:

在这里可以看到就是对角的元素表示缩放,那么表示物体具有相似性。

在机器学习里,主要为了获取数据的特征值,那么就是说,在任何一个矩阵计算出来之后,都可以简单化,只要获取矩阵的迹,就可以表示这一块数据的最重要的特征了,这样就可以把很多无关紧要的数据删除掉,达到简化数据,提高处理速度。

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