克罗内克积

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定义

如果A是一个 m × n 的矩阵,而B是一个 p × q 的矩阵,克罗内克积A /otimes B则是一个 mp × nq 的分块矩阵

A /otimes B = /begin{bmatrix} a_{11} B & /cdots & a_{1n}B // /vdots & /ddots & /vdots // a_{m1} B & /cdots & a_{mn} B /end{bmatrix}.

更具体地可表示为

克罗内克积_第1张图片

[编辑]例子

/begin{bmatrix}      1 & 2 //      3 & 1 //    /end{bmatrix} /otimes   /begin{bmatrix}      0 & 3 //      2 & 1 //    /end{bmatrix} =   /begin{bmatrix}      1/cdot 0 & 1/cdot 3 & 2/cdot 0 & 2/cdot 3 //      1/cdot 2 & 1/cdot 1 & 2/cdot 2 & 2/cdot 1 //      3/cdot 0 & 3/cdot 3 & 1/cdot 0 & 1/cdot 3 //      3/cdot 2 & 3/cdot 1 & 1/cdot 2 & 1/cdot 1 //    /end{bmatrix} =   /begin{bmatrix}      0 & 3 & 0 & 6 //      2 & 1 & 4 & 2 //     0 & 9 & 0 & 3 //     6 & 3 & 2 & 1   /end{bmatrix}.
克罗内克积_第2张图片.

[编辑]特性

[编辑]双线性和结合律

克罗内克积是张量积的特殊形式,因此满足双线性与结合律:

A /otimes (B+C) = A /otimes B + A /otimes C /qquad /mbox{(if } B /mbox{ and } C /mbox{ have the same size)},
(A+B) /otimes C = A /otimes C + B /otimes C /qquad /mbox{(if } A /mbox{ and } B /mbox{ have the same size)},
(kA) /otimes B = A /otimes (kB) = k(A /otimes B),
(A /otimes B) /otimes C = A /otimes (B /otimes C),

其中,AB 和 C 是矩阵,而 k 是常量。

克罗内克积不符合交换律:通常,A /otimes B 不同于 B /otimes A

A /otimes BB /otimes A是排列等价的,也就是说,存在排列矩阵PQ,使得

A /otimes B = P /, (B /otimes A) /, Q.

如果AB是方块矩阵,则A /otimes BB /otimes A甚至是排列相似的,也就是说,我们可以取P = QT

[编辑]混合乘积性质

如果ABCD是四个矩阵,且矩阵乘积ACBD存在,那么:

(/mathbf{A} /otimes /mathbf{B})(/mathbf{C} /otimes /mathbf{D}) = /mathbf{AC} /otimes /mathbf{BD}.

这个性质称为“混合乘积性质”,因为它混合了通常的矩阵乘积和克罗内克积。于是可以推出,A /,/otimes/, B是可逆的当且仅当AB是可逆的,其逆矩阵为:

(/mathbf{A} /otimes /mathbf{B})^{-1} = /mathbf{A}^{-1} /otimes /mathbf{B}^{-1}.

[编辑]克罗内克和

如果An × n矩阵,Bm × m矩阵,/mathbf{I}_k表示k × k单位矩阵,那么我们可以定义克罗内克和/oplus为:

/mathbf{A} /oplus /mathbf{B} = /mathbf{A} /otimes /mathbf{I}_m + /mathbf{I}_n /otimes /mathbf{B}.


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