伍德伯里矩陣恒等式(Woodbury matrix identity)


宜言飲酒熊尉,與子偕老。琴瑟在御,莫不靜好勺择。

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在數(shù)學(xué)(特別是線性代數(shù))中,Woodbury矩陣恒等式是以Max A.Woodbury命名的赋咽,它 可以通過(guò)對(duì)原矩陣的逆進(jìn)行秩k校正來(lái)計(jì)算某個(gè)矩陣的秩k校正的逆宦赠。這個(gè)公式的另一個(gè)名字是矩陣逆引理尺借,謝爾曼-莫里森-伍德伯里(Sherman–Morrison–Woodbury formula)公式或只是伍德伯里公式。然而怪瓶,在伍德伯里發(fā)現(xiàn)之前敛滋,這一等式出現(xiàn)在其他文獻(xiàn)中。

1. 伍德伯里矩陣恒等式

\displaystyle \left(A+UCV\right)^{-1}=A^{-1}-A^{-1}U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}

其中A棚饵、UCV都表示適形尺寸的矩陣缅疟。具體來(lái)說(shuō),A 的大小為 n×nUn×k寞冯,Ck×k螟蝙,Vk×n

2. 擴(kuò)展

不失一般性,可用單位矩陣替換矩陣A和C:
\displaystyle \left(I+UV\right)^{-1}=I-U\left(I+VU\right)^{-1}V

這里\displaystyle U=A^{-1}X, \displaystyle V=CY产阱。

這個(gè)等式本身可以看作是兩個(gè)簡(jiǎn)單等式的組合庄敛,即等式
\displaystyle (I+P)^{-1}=I-(I+P)^{-1}P=I-P(I+P)^{-1}

和所謂的 push-through 等式
\displaystyle (I+UV)^{-1}U=U(I+VU)^{-1}的結(jié)合拙毫。

3. 特殊情況

當(dāng) \displaystyle V,U 是向量時(shí)缺前,伍德伯里恒等式退化為謝爾曼-莫里森公式,在標(biāo)量情況下,它(簡(jiǎn)化版)只是:
\displaystyle {\frac {1}{1+uv}}=1-{\frac {uv}{1+uv}}

如果 p=qU=V=I_p 是單位矩陣郭蕉,那么
\left({A}+{B}\right)^{-1} =A^{-1}-A^{-1}(B^{-1}+A^{-1})^{-1}A^{-1}

={A}^{-1}-{A}^{-1}\left({I}+{B}{A}^{-1}\right)^{-1}{B}{A}^{-1}.
繼續(xù)合并上述方程最右邊的項(xiàng)卵惦,就可以得到一下恒等式:
\displaystyle \left({A}+{B}\right)^{-1}={A}^{-1}-\left({A}+{A}{B}^{-1}{A}\right)^{-1}

此等式的另一個(gè)有用的形式是:
\displaystyle \left({A}-{B}\right)^{-1}={A}^{-1}+{A}^{-1}{B}\left({A}-{B}\right)^{-1}

它有一個(gè)遞歸結(jié)構(gòu):
\displaystyle \left({A}-{B}\right)^{-1}=\sum _{k=0}^{\infty }\left({A}^{-1}{B}\right)^{k}{A}^{-1}

這種形式可用于微擾展開(kāi)式,其中 BA 的微擾。

4. 推廣

二項(xiàng)式逆定理(Binomial Inverse Theorem)
如果 A与帆,UBV 分別是 p×p聘萨,p×q锨能,q×qq×p的矩陣芍耘,那么:
\displaystyle \left(A+UBV\right)^{-1}=A^{-1}-A^{-1}UB\left(B+BVA^{-1}UB\right)^{-1}BVA^{-1}

前提是 AB+BVA-1UB 是非奇異的址遇。后者的非奇異性要求 B^{-1} 存在,因?yàn)樗扔?B(I+VA=1ub)斋竞,并且后者的秩不能超過(guò) B 的秩倔约。由于 B 是可逆的,所以在右手邊的附加量逆的兩邊的兩個(gè) B 項(xiàng)可以被 (B^{-1})^{-1} 替換坝初,從而得到原始的Woodbury恒等式:
\displaystyle (A+UBV)^{-1}=A^{-1}-A^{-1}U(I+BVA^{-1}U)^{-1}BVA^{-1}

在某些情況下浸剩,A 是有可能是奇異的。

5. 延伸

公式可以通過(guò)檢查 A+UCV 乘以伍德伯里恒等式右側(cè)的所謂逆得到恒等式矩陣來(lái)證明:
\left(A+UCV\right)\left[A^{-1}-A^{-1}U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}\right]
={}\left\{I-U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}\right\}+\left\{UCVA^{-1}-UCVA^{-1}U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}\right\}={}
\left\{I+UCVA^{-1}\right\}-\left\{U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}+UCVA^{-1}U\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}\right\}=
+UCVA^{-1}-\left(U+UCVA^{-1}U\right)\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}=
+UCVA^{-1}-UC\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)\left(C^{-1}+VA^{-1}U\right)^{-1}VA^{-1}+UCVA^{-1}-UCVA^{-1}\left({A}+{B}\right)^{-1} =A^{-1}-A^{-1}(B^{-1}+A^{-1})^{-1}A^{-1}
={A}^{-1}-{A}^{-1}\left({I}+{B}{A}^{-1}\right)^{-1}{B}{A}^{-1}..

參考文獻(xiàn)

https://en.wikipedia.org/wiki/Woodbury_matrix_identity

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