矩阵元素相加之和的数学表示

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了矩阵元素相加之和的数学表示。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

在科研过程中,会遇到对矩阵全部元素求和的运算,但该运算如何能用更简洁的方式来表示呢?

最简单直接的方式莫过于使用二级 ∑ ∑ \bm{\sum\sum} ∑∑嵌套来表示,但这种方式的缺点是显得很臃肿,因此,我们来考虑更加简洁的表示方法。

考虑任意维矩阵 A ∈ C m × n \bf{A} \in \mathbb{C}^{m \times n} ACm×n,其所有元素的和表示为
s = ∑ i = 0 m − 1 ∑ j = 0 n − 1 a i j s= \sum _{i=0}^{m-1} \sum _{j=0}^{n-1} a_{ij} s=i=0m1j=0n1aij
然后我们在每个元素左右位置各乘1,则可重新表示为
s = ∑ i = 0 m − 1 ∑ j = 0 n − 1 1 ⋅ a i j ⋅ 1 s= \sum _{i=0}^{m-1} \sum _{j=0}^{n-1} {1 \cdot a_{ij} \cdot 1} s=i=0m1j=0n11aij1
很显然,上式是一个二次型的表示形式,即
s = 1 T ⋅ A ⋅ 1 s= {\bm{1^T {\cdot } A {\cdot} 1}} s=1TA1
其中,左侧的 1 {\bm{1}} 1维度为 1 ∈ { 1 } m × 1 {\bm{1}} \in \left\{ 1 \right\}^{m \times 1} 1{1}m×1的全1列向量,右侧的 1 {\bm{1}} 1维度为 1 ∈ { 1 } n × 1 {\bm{1}} \in \left\{ 1 \right\}^{n \times 1} 1{1}n×1的全1列向量。综上即是矩阵元素求和的简洁表示。

特别的,当矩阵退化为向量时,其中一个维度退化到1,此时全1列向量退化到标量常数1。此时向量元素的和的表示为向量 a \bf{a} a 与全1列向量的内积,即可表示为
s = ∑ i = 0 m − 1 a i = 1 T ⋅ a s=\sum _{i=0}^{m-1} a_{i} = {\bm{1^T {\cdot } a}} s=i=0m1ai=1Ta

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