矩陣方程不可逆問題轉(zhuǎn)置可解[光聲信號(hào)求解物質(zhì)濃度]

最近在推導(dǎo)光聲方程求解血紅蛋白濃度的時(shí)候遇到了一些問題年叮,因此,在這里對(duì)過程做以記錄玻募。

根據(jù)基礎(chǔ)理論只损,通過比爾法則可以知道:吸光度=消光系數(shù)*厚度*物質(zhì)濃度。
在這里,光聲信號(hào)求解血紅蛋白的摩爾濃度跃惫,已知兩個(gè)波長(zhǎng)1064nm和694nm的光聲信號(hào)P叮叹,以及相應(yīng)波長(zhǎng)下的脫氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白的消光系數(shù)\varepsilon,求解兩種物質(zhì)的摩爾濃度C爆存。
原理式可以表示為:
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中蛉顽,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694\_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}\ \varepsilon_{1064\_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|先较。

矩陣方程系數(shù)矩陣可逆時(shí)

如果矩陣\varepsilon可逆携冤,則(Eq. 1)兩邊可以直接乘逆矩陣,有
\varepsilon^{-1}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 2)
化簡(jiǎn)后為:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 3)

矩陣方程系數(shù)不可逆或?yàn)槿我饩仃嚂r(shí)

如果矩陣\varepsilon不可逆或者為任意矩陣闲勺,則(Eq. 1)兩邊可以先乘其轉(zhuǎn)置在乘以他們的逆矩陣曾棕,有
\varepsilon^{T}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{T}P (Eq. 4)
\left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}(\varepsilon^{T}\varepsilon)\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 5)
化簡(jiǎn)后為:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 6)

這里存在一個(gè)問題:
為什么對(duì)于任意矩陣或者矩陣不可逆的情況,使用逆矩陣的時(shí)候菜循,需要先乘其轉(zhuǎn)置翘地,在將整體取逆?換句話說癌幕,矩陣乘其轉(zhuǎn)置衙耕,為什么是可逆的?
關(guān)于該問題的解釋可以看一下這個(gè)網(wǎng)易視頻序芦,證明A^T A可逆臭杰。

看完看感覺好難,還涉及到了零空間非線性劝术。頭大墓陈。

解方程試試

換個(gè)思路解決這個(gè)不可逆的問題,那就是解方程磁奖,然后把X變?yōu)镻,Y變?yōu)镃某筐,試試看會(huì)怎么樣比搭。
源表達(dá)式
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|南誊,P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|身诺。

公式(Eq. 1)對(duì)應(yīng)的方程組為:
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}C_{HbR}= P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.6)

對(duì)公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbO_2},下式乘以\varepsilon_{694\_HbO_2}抄囚,消去C_{HbO_2}霉赡,表示C_{HbR},有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.7)
兩式相減有
\left(\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}\right)C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbR}=\frac{ \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}
C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.8)

同理幔托,對(duì)公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbR}穴亏,下式乘以\varepsilon_{694\_HbR}蜂挪,消去C_{HbR},表示C_{HbO_2}嗓化,有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.9)
兩式相減有
\left(\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}\right)C_{HbO_2}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbO_2}=\frac{\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}} {\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}
C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.10)

合并(Eq.8)和(Eq.10)棠涮,得表示濃度的方程組:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right)\\\end{matrix}\right.
調(diào)整分母保持一致,方程組為:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694 \_HbR} \varepsilon_{1064 \_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(- \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}+\varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\\end{matrix}\right. (Eq.11)

化成矩陣形式
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left|\begin{matrix} \varepsilon_{1064\_HbR} \ -\varepsilon_{694 \_HbR} \\ -\varepsilon_{1064 \_HbO_2} \ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right| \left| \begin{matrix} P_{694}/ \phi_{694}\\ P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right| (Eq.12)
已知刺覆,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|严肪,P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

|\varepsilon|=\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}
所以公式(Eq.12)隅津,為
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\left|\begin{matrix} -\varepsilon_{1064\_HbO_2} \ -\varepsilon_{694 \_HbO_2} \\\varepsilon_{1064\_HbR} \ \varepsilon_{694\_HbR}\\\end{matrix}\right| P (Eq.13)

又因?yàn)?X2矩陣的伴隨矩陣為主對(duì)角元素位置互換诬垂,副對(duì)角線元素添加符號(hào)(解釋),則有
\varepsilon^* = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{1064 \_HbR}\ -\varepsilon_{694 \_HbR}\\ - \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right|
方程(Eq.13)化為
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^* P (Eq.14)
如果\varepsilon存在逆矩陣伦仍,則根據(jù)逆矩陣定義\varepsilon^{-1}= \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^*结窘,則有
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq.15)

做到這里,感覺不知不覺有回到了起點(diǎn)充蓝,還是需要保證\varepsilon可逆隧枫,即求解未知數(shù)的時(shí)候,分母也不能為0谓苟。

如果不會(huì)做的話官脓,可以在涉及具體的問題的時(shí)候,再具體分析涝焙,尋找解決的辦法卑笨。

最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末,一起剝皮案震驚了整個(gè)濱河市仑撞,隨后出現(xiàn)的幾起案子赤兴,更是在濱河造成了極大的恐慌,老刑警劉巖隧哮,帶你破解...
    沈念sama閱讀 218,682評(píng)論 6 507
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件桶良,死亡現(xiàn)場(chǎng)離奇詭異,居然都是意外死亡沮翔,警方通過查閱死者的電腦和手機(jī)陨帆,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 93,277評(píng)論 3 395
  • 文/潘曉璐 我一進(jìn)店門,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來采蚀,“玉大人疲牵,你說我怎么就攤上這事∮苁螅” “怎么了瑰步?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 165,083評(píng)論 0 355
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵,是天一觀的道長(zhǎng)璧眠。 經(jīng)常有香客問我,道長(zhǎng),這世上最難降的妖魔是什么责静? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 58,763評(píng)論 1 295
  • 正文 為了忘掉前任袁滥,我火速辦了婚禮,結(jié)果婚禮上灾螃,老公的妹妹穿的比我還像新娘题翻。我一直安慰自己,他們只是感情好腰鬼,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 67,785評(píng)論 6 392
  • 文/花漫 我一把揭開白布嵌赠。 她就那樣靜靜地躺著,像睡著了一般熄赡。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪姜挺。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上,一...
    開封第一講書人閱讀 51,624評(píng)論 1 305
  • 那天彼硫,我揣著相機(jī)與錄音炊豪,去河邊找鬼。 笑死拧篮,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛词渤,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播串绩,決...
    沈念sama閱讀 40,358評(píng)論 3 418
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼缺虐,長(zhǎng)吁一口氣:“原來是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼!你這毒婦竟也來了礁凡?” 一聲冷哼從身側(cè)響起高氮,我...
    開封第一講書人閱讀 39,261評(píng)論 0 276
  • 序言:老撾萬榮一對(duì)情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎把篓,沒想到半個(gè)月后纫溃,有當(dāng)?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 45,722評(píng)論 1 315
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡韧掩,尸身上長(zhǎng)有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 37,900評(píng)論 3 336
  • 正文 我和宋清朗相戀三年紊浩,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片疗锐。...
    茶點(diǎn)故事閱讀 40,030評(píng)論 1 350
  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡坊谁,死狀恐怖,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出滑臊,到底是詐尸還是另有隱情口芍,我是刑警寧澤,帶...
    沈念sama閱讀 35,737評(píng)論 5 346
  • 正文 年R本政府宣布雇卷,位于F島的核電站鬓椭,受9級(jí)特大地震影響颠猴,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏。R本人自食惡果不足惜小染,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 41,360評(píng)論 3 330
  • 文/蒙蒙 一翘瓮、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。 院中可真熱鬧裤翩,春花似錦资盅、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 31,941評(píng)論 0 22
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽。三九已至筐带,卻和暖如春今穿,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間,已是汗流浹背烫堤。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 33,057評(píng)論 1 270
  • 我被黑心中介騙來泰國打工荣赶, 沒想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人鸽斟。 一個(gè)月前我還...
    沈念sama閱讀 48,237評(píng)論 3 371
  • 正文 我出身青樓拔创,卻偏偏與公主長(zhǎng)得像,于是被迫代替她去往敵國和親富蓄。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子剩燥,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點(diǎn)故事閱讀 44,976評(píng)論 2 355

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容