MIT 18.06 linear algebra 第二十七讲笔记

MIT 18.06 linear algebra 第二十七讲笔记


  • Complex inner products
  • Vector
  • Matrices
  • Discrete Fourier
  • Fourier Matrix F n
  • Fast Transform = F F T

一个普通的 n 阶矩阵和一个向量做乘法时需要进行 n 2 次乘法运算。而进行快速傅里叶变换后可以降低到 n log 2 n 次。

如果有一个复数向量,那么求向量长度时: | | Z | | 2 = [ x 1 ¯ x 2 ¯ x n ¯ ] [ z 1 z 2 z n ] 。这里是与实数向量不一样的。也就是说求一个复数向量长度的时候,需要以其共轭向量的转置乘以它。即 | | Z | | 2 = Z ¯ T Z

计算复数向量的内积时,假设计算 y x 的内积时,公式为 y ¯ T x = y H x 。其中的 H 的作用就是求其共轭并转置,此处 H 的英文为 H e r m i t i a n

在实数矩阵时,我们关于对称阵的定义为 A T = A ,但是这对复数矩阵不适用。关于复数对称矩阵的定义为 A ¯ T = A = A H 。这也意味着复数对称矩阵的对角线元素均为实数。例如 [ 2 3 + i 3 i 5 ] ,这种矩阵又称为埃尔米特矩阵(又称“自共轭矩阵”)是共轭对称的方阵。满足 A H = A 这些矩阵的特征值为实数。


复数标准正交向量 q 1 , q 2 , , q n 垂直,那么满足 q i ¯ T q j { 0 i f i j 1 i f i = j

标准正交矩阵 Q 满足 Q ¯ T Q = I 。即 Q H Q = I 。这种矩阵又称为酉矩阵,酉矩阵是正交矩阵往复数向量上的推广。


n 阶傅里叶矩阵 [ 1 1 1 1 1 w w 2 w n 1 1 w 2 w 4 w 2 ( n 1 ) 1 w n 1 w 2 ( n 1 ) w ( n 1 ) 2 ] 。这个矩阵满足 ( F n ) i j = w i j ,其中 i , j = 0 1 , n 1

如果有 w n = 1 ,那么 w = e i 2 π n w = c o s ( 2 π n ) + i s i n ( 2 π n )
这里写图片描述

上面是 w 6 = 1
n = 4 时, w 4 = 1 , w = e i π 2 = i , i 2 = 1 , i 3 = i , i 4 = 1 。因此 F 4 = [ 1 1 1 1 1 i i 2 i 3 1 i 2 i 4 i 6 1 i 3 i 6 i 9 ] = [ 1 1 1 1 1 i 1 i 1 1 1 1 1 i 1 i ] 。通过这个 4 × 4 的矩阵可以得到一个4点的傅里叶变换。

上面的矩阵乘以 1 2 后就是一个酉矩阵,即 1 2 F 4 为酉矩阵。

当有 w 64 = 1 w 3 2 = 1 ,那么 w 64 2 = w 32 。我们可以将 F 64 变换为关于 F 32 的。 [ F 64 ] = [ I D I D ] [ F 32 0 0 F 32 ] [ p ] 。以前 F 64 乘以一个向量需要做 64 × 64 次乘法操作,现在只需要 2 ( 32 ) 2 + f i x ,其中fix是关于左右两侧关于修正矩阵的计算量。

其中右侧的修正矩阵是一个就置换矩阵,形如 p = [ 1 1 1 1 1 1 ] 。当 p 乘以一个向量,它能把所有奇数位置的分量统统排列到偶数分量之前。其中 D = [ 1 w w 2 w 32 ] 。现在的计算量为 2 ( 32 ) 2 + 32 ,其中乘以 I p 都不需要大量的计算开销。

F 32 又可以进一步分解 [ F 64 ] = [ I D I D ] [ F 32 0 0 F 32 ] [ p ] = [ I D I D ] [ I D I D I D I D ] [ F 16 F 16 F 16 F 16 ] [ p p ] [ p ]
现在的计算量变为 2 [ x × 16 2 + 16 ] + 32 ,如果像这样依次展开,左右两边扩展为修正矩阵,由于 l o g 2 64 = 6 ,因此左右各有6个修正矩阵。一共 l o g 2 64 64 2 。也就是计算公式为 l o g 2 n n 2

假设现有有一个1024*1024维度的矩阵,那么它乘以一个向量计算量为1024*1024,但如果对其进行分解后,那么计算量为5*1024。降到了原来的 1 200 .

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