第十二讲 满秩分解与奇异值分解 一、矩阵的满秩分解 1. 定义:设,若存在矩阵及,使得 ,则称其为的一个满秩分解。 说明:(1)为列满秩矩阵,即列数等于秩;为行满秩矩阵,即行数等于秩。 (2)满秩分解不唯一。(阶可逆方阵),则 ,且 2. 存在性定理:任何非零矩阵均存在满秩分解 证:采用构造性证明方法。设,则存在初等变换矩阵, 使 , 其中 将写成,并把分块成,其中  是满秩分解。 3. Hermite标准形(行阶梯标准形) 设,且满足 的前行中每一行至少含一个非零元素(称为非零行),且第一个非零元素为1,而后行的元素全为零(称为零行); 若中第行的第一个非零元素(即1)在第列,则 ; 矩阵的第列,第列,…,第列合起来恰为阶单位方阵的前列(即列上除了前述的1外全为0)则称为Hermite标准形。 例1  为Hermite标准形  也是Hermite标准形 4. 满秩分解的一种求法 设, 采用行初等变换将化成Hermite标准形,其矩阵形式为,其中为Hermite标准形定义中给出的形状; 选取置换矩阵 的第列为,即该列向量除第个元素为1外,其余元素全为零; 其它列只需确保为置换矩阵即可(的每一行,每一列均只有一个非零元素,且为1);  用右乘任何矩阵(可乘性得到满足时),即可得该矩阵的第列置换到新矩阵(即乘积矩阵)的第列 令,即 (3)令的前行,则 证明:,则,,已知,但,当然可以通过求出再将分块得到,但这样就没必要采用Hermite标准形形式,注意到,则 证毕 例1 求其满秩分解 解:(1)首先求出的秩。显然,前两列互相独立,而第三行可由第一行减去第二行得到,故。 (2)进行初等变换将化为Hermite标准型。    , 即 , , (3)求出及 由可见,故, 验证: 而 二、酉对角分解与奇异值分解 1. 厄米矩阵的谱分解  为厄米矩阵,则存在酉矩阵,使  将写成列向量形式,即,则  2. 非奇异矩阵的酉对角分解 定理:设为阶非奇异矩阵,则存在阶酉矩阵及,使得   (若将写成 ,则) 证:也为阶非奇异矩阵,而且是厄米,正定矩阵,故存在阶酉矩阵,使  为的特征值。 令 ,则  令,则  即也是酉矩阵,而且 证毕 酉对角分解的求法正如证明中所给:先对对角化(酉对角化),求出变换矩阵,再令即可。 3. 一般矩阵的奇异值分解 定理:设,则存在阶酉矩阵及阶酉矩阵,使  即  证:首先考虑。因为,故, 而且是厄米,半正定的,存在阶酉矩阵,使  令,  则     令则,又 在的基础上构造酉矩阵,即 这由前面基扩充定理可知是可行的,从而有  故  其中已知  而    故定理得证。 奇异值分解的求法可按证明步骤求之。 作业: P225 1(2), 2, 5 P233 1