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定义Definition

矩阵

Matrix

以有限行列集合为索引、取值于半环,并以中间指标求和定义乘法的函数。

形式陈述 ​

入门:实数矩阵与形状 ​

先取实数条目:A∈Rm×n 有 m 行、n 列,Aij 是第 i 行第 j 列的值。与 B∈Rn×p 相乘,C=AB∈Rm×p,其中 Cik=∑j=1nAijBjk。也就是取 A 的一行与 B 的一列,对应相乘再相加;后面的实数例子会把这个过程完整算出。

一般定义:有限索引与半环 ​

设 I,J 为有限集,S 为半环。以 I 为行指标、J 为列指标的 S 值矩阵是函数

A:I×J→S,(i,j)↦Aij.

半环提供矩阵加法与乘法所需的标量运算;单纯的二维表则可以在任意集合中取值。以下把指标集合和标量半环视为结构的一部分,固定它们后,矩阵相等就是每个位置的值相同。常见的 m×n 数表取 I={1,…,m}、J={1,…,n};行列还可以直接标成顶点、状态或特征。

同型矩阵逐项相加:(A+B)ij=Aij+Bij。若 A:I×J→S、B:J×K→S,则矩阵乘法定义为

(AB)ik=∑j∈JAijBjk.

共享的中间指标 J 被求和消去,留下 I×K。固定输出位置 (i,k) 后,遍历每个 j,取 A 的第 i 行条目与 B 的第 k 列对应条目相乘,再汇总。这不同于把相同位置逐项相乘。求和次序无关,因为半环的加法交换;每一项中标量乘法的次序仍是 Aij 在前、Bjk 在后。

方阵集合 MI(S) 也构成半环。其乘法单位 II 的对角位置取 1S,其余位置取 0S。转置 AT:J×I→S 满足 (AT)ji=Aij,只交换索引。

直觉

可以把 Aij 理解为“从 i 经由中间项 j 的贡献”,把 Bjk 理解为“再从 j 到 k 的贡献”。乘法先组合每条经过 j 的两段路线,再把所有中间项的贡献汇总。普通数值矩阵、图中的路径计数和最短路计算,共享这个索引结构,区别在于怎样组合、怎样汇总。

这也解释了形状检查。标准下标的 m×n 与 n×p 能相乘,因为共同指标都是 {1,…,n}。若行列带有标签,则按标签对齐中间项:例如第一张表按城市排列列,第二张表就按相同城市排列行。

给行、列各固定一个编号,并为系数提供可存储的表示后,m×n 矩阵可用长度 mn 的数组保存:从零编号时,行优先位置 (i,j) 对应下标 in+j。数组中保存的也可以是系数对象的引用,不能因此假定任意精度系数运算都为常数成本。

对已给出有效项位置的实矩阵,CSR 等稀疏表示保存形状、坐标和值,未存的位置解释为零;丢弃小而非零的条目则是另一个需要误差控制的近似步骤。表示方式不改变矩阵各位置的值,却会改变访存和运算成本。

例子与边界

一个乘积里发生了什么 ​

取

A=(1200−13),B=(1021−14).

AB 为 2×2 矩阵。例如第二行第一列是

(AB)21=0⋅1+(−1)⋅2+3⋅(−1)=−5,

完整结果为

AB=(52−511),BA=(120233−1−612).

反向乘积也有定义,却连形状都不同。即使都是方阵,次序也通常不可交换:对

P=(1101),Q=(1011),

有 PQ=(2111),而 QP=(1112)。这里标量完全交换,不交换来自不同的中间索引组合。对域上的同阶方阵,交换子 [A,B]=AB−BA 把这种次序差异组织成新的运算,满足 Jacobi 恒等式,并给出Lie 代数的基本模型。

同一乘法形状,不同标量含义 ​

对有限有向图,令邻接矩阵 Aij=1 表示弧 i→j,否则为 0。在自然数半环中,(A2)ik 是从 i 到 k 的两步有向游走数;在布尔半环中,把加法改为“或”、乘法改为“且”,(A2)ik 则只表示是否存在这样的游走。

例如仅有 1→2,1→3,2→4,3→4 四条弧时,普通乘法得到 (A2)14=2,布尔乘法得到真。这里允许游走重复顶点;矩阵幂一般不直接统计要求顶点互异的简单路径。

在最小加半环 S=R∪{+∞} 中,定义 a⊕b=min(a,b)、a⊗b=a+b,其中 +∞ 是加法零元,通常实数 0 是乘法单位。以边权为条目、无边记为 +∞,矩阵乘法得到

(A⊗B)ik=minj(Aij+Bjk).

A 的第 r 次幂描述恰好 r 条边的最短游走。若要求至多 r 条边,可对 I⊕A 取幂:对角上的零成本等待步骤允许把较短路线补齐。

转置、逆与线性映射 ​

当标量乘法交换时,(AB)T=BTAT。交换性用在每项的 AijBjk=BjkAij 上。复矩阵还常用共轭转置 A∗=A―T,它在交换行列后再对每个条目取共轭。

域上的矩阵可以表示向量空间之间的线性映射。若使用列坐标,x↦Bx 后接 y↦Ay 的复合矩阵是 AB,即右边先作用。换基会改变表示同一映射的矩阵,具体变换关系见换基。

长方矩阵可能有单侧逆。例如 A=(1 0)、B=(1 0)T 满足 AB=(1),但 BA=diag(1,0)。这里 B 把一维坐标嵌入平面的横轴,A 再取出横坐标;反过来先取横坐标再嵌入,会丢掉原来的纵坐标。

推论与应用

乘法的结合律来自有限求和与分配律:(AB)C 和 A(BC) 的同一条目都展开为 ∑j,kAijBjkCkℓ。因此可以自由加括号而不交换因子;矩阵链乘法优化的正是括号位置及计算代价。

线性映射的复合、图上的多步传播与动态规划可共享矩阵乘法的接口。统计设计矩阵把样本放在行、特征放在列,乘以参数向量就同时计算全部样本的预测值;图 Laplacian则把顶点间的差异组织为线性运算。

数组与稀疏矩阵表示负责实现,矩阵范数用于误差和放大量化。数学上相等的两种乘法安排,在浮点运算中未必逐位相同;这属于近似算术层,而不是对精确半环结合律的反例。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., 2024,§3C:矩阵、矩阵乘法与线性映射的坐标表示。
  • Jeremy Kepner et al., Mathematical Foundations of the GraphBLAS, 2016,§IV–VII:以有限索引和半环运算统一图计算中的矩阵操作。
  • Jonathan S. Golan, Semirings and Their Applications, 1999:半环及其矩阵构造。
关系图谱181 个相邻概念 · 4 类关系

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