Произведение Кронекера

Произведение Кронекера — бинарная операция над матрицами произвольного размера, обозначается . Результатом является блочная матрица.

Произведение Кронекера не следует путать с обычным умножением матриц. Операция названа в честь немецкого математика Леопольда Кронекера.

Определение

править

Если A — матрица размера m×n, B — матрица размера p×q, тогда произведение Кронекера есть блочная матрица размера mp×nq

 

В развёрнутом виде

 

Если A и B представляют собой линейные преобразования V1W1 и V2W2, соответственно, то AB представляет собой тензорное произведение двух отображений, V1V2W1W2.

Пример

править
 .

Билинейность, ассоциативность и некоммутативность

править
 
 
 
 
где A, B и C есть матрицы, а k — скаляр.
 

Если A и B квадратные матрицы, тогда A   B и B   A являются перестановочно подобными, то есть, P = QT.

Транспонирование

править

Операции транспонирования и эрмитова сопряжения можно переставлять с произведением Кронекера:

 
 

Смешанное произведение

править
  • Если A, B, C и D являются матрицами такого размера, что существуют произведения AC и BD, тогда
 
  • A   B является обратимой тогда и только тогда, когда A и B являются обратимыми, и тогда
 
 , где   - произведение Адамара
 , где   - единичная матрица.

Сумма и экспонента Кронекера

править
  • Пусть A — матрица размера n×n, B — матрица размера m×m и   — единичная матрица размера k×k. Тогда можно определить сумму Кронекера   как
 
  • Также справедливо
 

Спектр, след и определитель

править
  • Если A и B квадратные матрицы размера n и q соответственно. Если λ1, …, λn — собственные значения матрицы A и μ1, …, μq собственные значения матрицы B. Тогда собственными значениями A   B являются
 
 
 

Сингулярное разложение и ранг

править
 

Ненулевые сингулярные значения матрицы B:

 

Тогда произведение Кронекера A   B имеет rArB ненулевых сингулярных значений

 
  • Ранг матрицы равен количеству ненулевых сингулярных значений,
 

История

править

Произведение Кронекера названо в честь Леопольда Кронекера, несмотря даже на то, что существует мало свидетельств о том, что он был первым, кто определил и использовал эту операцию. В прошлом произведение Кронекера иногда называли матрицей Зефусса.

Блочные версии произведения Кронекера

править

В случае блочных матриц могут использоваться матричные операции, связанные c произведением Кронекера и отличающиеся порядком соответствующего перемножения блоков. Таковыми являются произведения Трейси – Сингха (англ. Tracy–Singh product) и произведение Хатри — Рао.

Произведение Трейси-Сингха

править

Указанная операция перемножения блочных матриц заключается в том, что каждый блок левой матрицы умножается последовательно на блоки правой матрицы. При этом формируемая структура результирующей матрицы отличается от характерной для произведения Кронекера. Произведение Трейси – Сингха определяется как[1][2]

 

Например:

 
 

Произведение Хатри-Рао

править

Данный вариант умножения определён для матриц с одинаковой блочной структурой. Он предусматривает, что операция кронекеровского произведения выполняется поблочно, в пределах одноимённых матричных блоков по аналогии с поэлементным произведением Адамара, только при этом в качестве элементов фигурируют блоки матриц, а для умножения блоков используется кронекеровское произведение.

Примечания

править
  1. Tracy, D. S.; Singh, R. P. (1972). "A New Matrix Product and Its Applications in Matrix Differentiation". Statistica Neerlandica. 26 (4): 143—157. doi:10.1111/j.1467-9574.1972.tb00199.x.
  2. Liu, S. (1999). "Matrix Results on the Khatri–Rao and Tracy–Singh Products". Linear Algebra and Its Applications. 289 (1—3): 267—277. doi:10.1016/S0024-3795(98)10209-4.

Литература

править
  • Хорн Р. Матричный анализ: Пер. с англ. / Р. Хорн, Ч. Джонсон. – М.: Мир, 1989.– 655 с.