机器学习数学基础 120 章

矩阵的迹及常用恒等式

层级:B|按需

1. 迹为什么频繁出现

方阵的迹只是对角元素之和,却能把向量二次型、Frobenius 范数、协方差总方差和矩阵导数写成紧凑形式。迹的循环性质允许重排矩阵乘积,是矩阵微积分最常用的技巧之一。

2. 定义

对 A∈Rn×nA\in\mathbb R^{n\times n}:

tr⁡(A)=∑i=1naii.\operatorname{tr}(A)=\sum_{i=1}^{n}a_{ii}.

例如

tr⁡[25−13]=2+3=5.\operatorname{tr} \begin{bmatrix}2&5\\-1&3\end{bmatrix}=2+3=5.

只有方阵定义普通迹。迹输出标量。

3. 线性性质

tr⁡(A+B)=tr⁡(A)+tr⁡(B),\operatorname{tr}(A+B) =\operatorname{tr}(A)+\operatorname{tr}(B), tr⁡(cA)=ctr⁡(A),\operatorname{tr}(cA)=c\operatorname{tr}(A), tr⁡(AT)=tr⁡(A).\operatorname{tr}(A^T)=\operatorname{tr}(A).

对单位矩阵 tr⁡(In)=n\operatorname{tr}(I_n)=n。

4. 循环性质

只要乘积形状使结果为方阵:

tr⁡(AB)=tr⁡(BA).\operatorname{tr}(AB)=\operatorname{tr}(BA).

更一般地:

tr⁡(ABC)=tr⁡(BCA)=tr⁡(CAB).\operatorname{tr}(ABC) =\operatorname{tr}(BCA) =\operatorname{tr}(CAB).

这是循环移动,不是任意换序。一般

tr⁡(ABC)≠tr⁡(ACB).\operatorname{tr}(ABC)\ne\operatorname{tr}(ACB).

证明两矩阵情形:

tr⁡(AB)=∑i∑jaijbji=∑j∑ibjiaij=tr⁡(BA).\operatorname{tr}(AB) =\sum_i\sum_j a_{ij}b_{ji} =\sum_j\sum_i b_{ji}a_{ij} =\operatorname{tr}(BA).

5. 标量可以写成迹

任意标量 ss 可视为 1×11\times1 矩阵,所以 s=tr⁡(s)s=\operatorname{tr}(s)。例如

xTAx=tr⁡(xTAx)=tr⁡(AxxT).x^TAx =\operatorname{tr}(x^TAx) =\operatorname{tr}(Axx^T).

这个技巧把向量表达式改写成对矩阵 AA 线性的形式,便于求导和取期望。

6. 内积与 Frobenius 内积

矩阵的 Frobenius 内积定义为

⟨A,B⟩F=∑i,jaijbij=tr⁡(ATB).\langle A,B\rangle_F =\sum_{i,j}a_{ij}b_{ij} =\operatorname{tr}(A^TB).

因此

∥A∥F2=tr⁡(ATA).\|A\|_F^2=\operatorname{tr}(A^TA).

矩阵可视为由所有元素组成的长向量,Frobenius 内积就是普通向量内积。

7. 迹与特征值

方阵的迹等于所有特征值之和(按代数重数):

tr⁡(A)=∑iλi.\operatorname{tr}(A)=\sum_i\lambda_i.

迹在相似变换下不变:若 B=P−1APB=P^{-1}AP,

tr⁡(B)=tr⁡(P−1AP)=tr⁡(APP−1)=tr⁡(A).\operatorname{tr}(B) =\operatorname{tr}(P^{-1}AP) =\operatorname{tr}(APP^{-1}) =\operatorname{tr}(A).

这说明迹不是依赖某组坐标的偶然对角和,而是线性变换的内在量。

8. 协方差的总方差

协方差矩阵 Σ\Sigma 的对角元素是每个变量方差,所以

tr⁡(Σ)=∑j=1dVar⁡(Xj)\operatorname{tr}(\Sigma) =\sum_{j=1}^{d}\operatorname{Var}(X_j)

是总方差。正交坐标变换不改变总方差,只重新分配到不同方向。PCA 选前 kk 个方向保留尽可能大的特征值之和。

9. 二次误差的迹写法

矩阵重构误差

∥X−UVT∥F2=tr⁡((X−UVT)T(X−UVT)).\|X-UV^T\|_F^2 =\operatorname{tr}\big((X-UV^T)^T(X-UV^T)\big).

展开后可借循环性质把待求导矩阵移动到方便位置。这在线性回归、低秩分解和矩阵求导中非常常见。

10. 常用求导预览

在形状适当时:

∂∂Xtr⁡(ATX)=A,\frac{\partial}{\partial X}\operatorname{tr}(A^TX)=A, ∂∂Xtr⁡(XTAX)=(A+AT)X.\frac{\partial}{\partial X}\operatorname{tr}(X^TAX) =(A+A^T)X.

若 AA 对称,则为 2AX2AX。不要只背公式,应先检查标量目标和所有形状。

易错点

  1. 迹不是所有元素之和,只加主对角线。
  2. 循环性质不是交换律,只能整体循环移动因子。
  3. tr⁡(AB)\operatorname{tr}(AB) 可定义即使 A,BA,B 不是方阵,只要 ABAB 为方阵;此时 BABA 也为方阵且迹相等。
  4. tr⁡(ATA)=0\operatorname{tr}(A^TA)=0 当且仅当 A=0A=0。
  5. 特征值可能为复数,但实矩阵的迹仍为实数,共轭对会相消虚部。

常见问答

Q1:迹的循环性质为什么对矩阵求导重要?

微分常写为 df=tr⁡(GTdX)df=\operatorname{tr}(G^TdX)。循环移动可把 dXdX 放到末尾,从而读出梯度 GG。

Q2:总方差是否受特征缩放影响?

受影响。只有正交旋转保持 Euclidean 长度与总方差;任意缩放会改变对角方差和迹。

Q3:迹与行列式有什么对照?

迹是特征值之和,行列式是特征值之积;两者都在相似变换下不变,但表达不同性质。

练习

  1. 求 A=[1234]A=\begin{bmatrix}1&2\\3&4\end{bmatrix} 的迹。
  2. 验证给定任意兼容的 x,yx,y,xTy=tr⁡(yxT)x^Ty=\operatorname{tr}(yx^T)。
  3. 若矩阵特征值为 2,3,−12,3,-1,求迹。
  4. 写出 ∥A−B∥F2\|A-B\|_F^2 的迹形式。
  5. 协方差矩阵对角为 (4,1,9)(4,1,9),总方差是多少?

答案与提示

  1. 5。
  2. 展开两侧,都是 ∑ixiyi\sum_ix_iy_i。
  3. 4。
  4. tr⁡((A−B)T(A−B))\operatorname{tr}((A-B)^T(A-B))。
  5. 14。