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克羅內克積

鎖定
數學上,克羅內克積是兩個任意大小的矩陣間的運算。克羅內克積是張量積的特殊形式,以德國數學家利奧波德·克羅內克命名。
中文名
克羅內克積
外文名
Kronecker product
形    式
矩陣間的運算
命    名
數學家利奧波德·克羅內克命名
應用學科
數學
所屬領域
代數和代數數論

克羅內克積定義

如果A是一個m×n的矩陣,而B是一個p×q的矩陣,克羅內克積則是一個mp×nq分塊矩陣
更具體地可表示為 [1] 

克羅內克積例子

克羅內克積特性

克羅內克積雙線性結合律

克羅內克積張量積的特殊形式,因此滿足雙線性與結合律
其中,A,BC是矩陣,而k是常量。
克羅內克積不符合交換律:通常,
不同於
是置換等價的,也就是説,存在置換矩陣PQ,使得
如果AB是方塊矩陣,則
甚至是置換相似的,也就是説,我們可以取P=Q

克羅內克積混合乘積性質

如果ABCD是四個矩陣,且矩陣乘積ACBD存在,那麼:
這個性質稱為“混合乘積性質”,因為它混合了通常的矩陣乘積和克羅內克積。於是可以推出,
可逆當且僅當AB是可逆的,其逆矩陣為:

克羅內克積克羅內克和

如果An×n矩陣,Bm×m矩陣,
表示k×k單位矩陣,那麼我們可以定義克羅內克和
為:

克羅內克積與抽象張量積

矩陣的克羅內克積對應於線性映射的抽象張量積。特別地,如果向量空間VWXY分別具有基{v1, ... , vm}、 {w1, ... , wn}、{x1, ... , xd}和{y1, ... , ye},且矩陣AB分別在恰當的基中表示線性變換S:VXT:WY,那麼矩陣AB表示兩個映射的張量積ST:VWXY,關於VW的基{v1⊗ w1, v1⊗ w2, ... , v2⊗ w1, ... , vm⊗ wn}和XY的類似基。 [2] 

克羅內克積與圖的乘積

兩個鄰接矩陣的克羅內克積是它們的張量積圖的鄰接矩陣。兩個圖的鄰接矩陣的克羅內克和,則是它們的笛卡兒積圖的鄰接矩陣。 [3] 

克羅內克積轉置

克羅內克積轉置運算符合分配律:

克羅內克積矩陣方程

克羅內克積可以用來為一些矩陣方程得出方便的表示法。例如,考慮方程AXB=C,其中ABC是給定的矩陣,X是未知的矩陣。我們可以把這個方程重寫為
這樣,從克羅內克積的性質可以推出,方程AXB=C具有唯一的解,當且僅當AB是非奇異矩陣。(Horn & Johnson 1991,Lemma 4.3.1).
在這裏,vec(X)表示矩陣X向量化,它是把X的所有列堆起來所形成的列向量
如果把X的行堆起來,形成列向量x,則AXB也可以寫為
(Jain 1989,2.8 block Matrices and Kronecker Products)。

克羅內克積歷史

儘管沒有明顯證據證明利奧波德·克羅內克是第一個定義並使用這一運算的人,克羅內克積還是以其名字命名。確實,在歷史上,克羅內克積曾以Johann Georg Zehfuss名字命名為Zehfuss矩陣。
參考資料
  • 1.    Van Loan C F. The ubiquitous Kronecker product[J]. Journal of computational and applied mathematics, 2000, 123(1): 85-100.
  • 2.    Pages 401–402 of Dummit, David S.; Foote, Richard M., Abstract Algebra 2, New York: John Wiley and Sons, Inc., 1999, ISBN 0-471-36857-1
  • 3.    D. E. Knuth: "Pre-Fascicle 0a: Introduction to Combinatorial Algorithms", zeroth printing (revision 2), to appear as part of D.E. Knuth: The Art of Computer Programming Vol. 4A