矩阵的四个基础子空间

2025-12-20 00:31:40      战力提升

用到左零空间的地方

看起来左零空间在(正向的)线性变换中根本不出现,而且只是列空间的正交补,比较没有意思。

不过往后学习一点,还是会用到的。默认在定义矩阵的逆的时候,只对可逆的方阵(非奇异)才有意义,因为可逆矩阵的零空间真的是个零(只有零向量),那么行空间中每个向量都可以一一映射到列空间中,自然映射也就可逆——找出逆矩阵,将原矩阵列空间中的向量再映射回行空间。

对于奇异矩阵,因为零空间的存在,零空间中的非零向量会被矩阵映射到零向量上。那么无论如何,我们都没法再找出一个矩阵,能把零向量映射回原零空间中的非零向量了——变成零后信息已经丢失了。这也是“不可逆”的原因。

但是对于不可逆的矩阵(可以是奇异方阵,甚至可以是长方矩阵),可以定义其“伪逆”(pseudo-inverse),即在正向变换的时候,仍然是行空间映射到列空间,零空间映射到零向量;逆向变换的时候,将列空间映射回行空间,左零空间则映射到零向量。

Ax=b or 0 then A+b=x or 0Ax = b\ or\ 0 \text{ then } A^+b = x\ or\ 0Ax=b or 0 then A+b=x or 0

嗯… 就是接受有的分量(在左零空间)中会丢失(退化)这件事,因为反正它们也是从零空间来的。所以伪逆的概念里蕴含了某种投影的思想…

这个在最小二乘法里比较有用,因为反复收集数据很可能因为数据重复导致矩阵奇异。这个时候我们希望“浑水摸鱼的向量就不要出声”,求伪逆当作逆用就好。

求伪逆的方法,其中一种是对矩阵 AAA

做奇异值分解(SVD),将其变成两个正交矩阵和一个对角矩阵的乘积。正交矩阵一定可逆,其伪逆就是其逆;对角矩阵如果对角线不含零元素(对角矩阵也可逆),求逆时取对角线元素的倒数即可;不可逆矩阵的 SVD 中,对角矩阵一定含有零元素,那么求伪逆时只对非零元素取倒数,零元素仍然取零(对应左零空间仍然映射到零向量),得出对角矩阵伪逆。再将三个逆和伪逆重新合成,得到 AAA

的伪逆。

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