預備知識
要解決這個問題,你需要熟悉以下線性代數概念:
- 對稱矩陣 (Symmetric Matrix):如果一個矩陣 A 滿足 AT=A,則稱其為對稱矩陣。在這個問題中,A∈Sn,所以這個性質成立。
- 轉置性質 (Transpose Properties):
- (A+B)T=AT+BT
- (AB)T=BTAT
- 純量轉置 (Scalar Transpose):如果結果是一個純量 (1×1 矩陣),它的轉置等於它自己。對於向量 x,b∈Rn,點積 xTb 是一個純量,所以 xTb=(xTb)T=bTx。
- 矩陣逆 (Matrix Inverse):AA−1=A−1A=I。
逐步推導
我們想要證明二次形式:
f(x)=xTAx−2xTb+c(1.28)
可以重寫為:
f(x)=(x−d)TA(x−d)+e(1.29)
已知:
d=A−1b(1.30)
e=c−dTAd=c−bTA−1b(1.31)
讓我們從展開提議的形式 (1.29) 開始,並代入 d 和 e 的值,看看是否能得到 (1.28)。
步驟 1:展開二次項 (x−d)TA(x−d)
使用轉置性質 (A+B)T=AT+BT:
(x−d)T=xT−dT
所以,
(x−d)TA(x−d)=(xT−dT)A(x−d)
分配各項:
=(xTA−dTA)(x−d)
=xTAx−xTAd−dTAx+dTAd
步驟 2:簡化交叉項
中間的兩項是 −xTAd 和 −dTAx。
注意這些項都是純量 (1×1)。
讓我們看看 dTAx 這一項。由於它是純量,它等於它的轉置:
(dTAx)T=xTAT(dT)T=xTATd
由於 A 是對稱的 (A∈Sn),我們知道 AT=A。因此:
(dTAx)T=xTAd
所以,dTAx=xTAd。交叉項是相同的。
表達式變為:
(x−d)TA(x−d)=xTAx−2xTAd+dTAd
步驟 3:將 d 和 e 的表達式代回原始方程 (1.29)
現在將此展開式代回 (1.29):
f(x)=(xTAx−2xTAd+dTAd)+e
將 d=A−1b 代入項 −2xTAd 中:
−2xTAd=−2xTA(A−1b)
=−2xT(AA−1)b
=−2xTIb
=−2xTb
代入 (1.31) 中 e 的定義:
e=c−dTAd
所以完整的表達式變為:
f(x)=xTAx−2xTb+dTAd+(c−dTAd)
步驟 4:最終消去
dTAd 項互相抵消:
f(x)=xTAx−2xTb+dTAd−dTAd_0+c
f(x)=xTAx−2xTb+c
這與方程 (1.28) 相符。因此,我們已經證明了 f(x) 確實可以用給定的參數重寫為 (1.29) 的形式。