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矩陣求導公式總結

今天推導公式,發現居然有對矩陣的求導,狂汗--完全不會。不過還好網上有人總結了。吼吼,趕緊搬過來收藏備份。

基本公式:
Y = A * X --> DY/DX = A'
Y = X * A --> DY/DX = A
Y = A' * X * B --> DY/DX = A * B'
Y = A' * X' * B --> DY/DX = B * A'

1. 矩陣Y對標量x求導:

相當於每個元素求導數後轉置一下,注意M×N矩陣求導後變成N×M了

Y = [y(ij)] --> dY/dx = [dy(ji)/dx]

2. 標量y對列向量X求導:

注意與上面不同,這次括號內是求偏導,不轉置,對N×1向量求導後還是N×1向量

y = f(x1,x2,..,xn) --> dy/dX =(Dy/Dx1,Dy/Dx2,..,Dy/Dxn)'

3. 行向量Y'對列向量X求導:

注意1×M向量對N×1向量求導後是N×M矩陣。

將Y的每一列對X求偏導,將各列構成一個矩陣。

重要結論:

dX'/dX = I

d(AX)'/dX = A'

4. 列向量Y對行向量X’求導:

轉化為行向量Y’對列向量X的導數,然後轉置。

注意M×1向量對1×N向量求導結果為M×N矩陣。

dY/dX' = (dY'/dX)'

5. 向量積對列向量X求導運演算法則:

注意與標量求導有點不同。

d(UV')/dX = (dU/dX)V' + U(dV'/dX)

d(U'V)/dX = (dU'/dX)V + (dV'/dX)U'

重要結論:

d(X'A)/dX = (dX'/dX)A + (dA/dX)X' = IA + 0X' = A

d(AX)/dX' = (d(X'A')/dX)' = (A')' = A

d(X'AX)/dX = (dX'/dX)AX + (d(AX)'/dX)X = AX + A'X

6. 矩陣Y對列向量X求導:

將Y對X的每一個分量求偏導,構成一個超向量。

注意該向量的每一個元素都是一個矩陣。

7. 矩陣積對列向量求導法則:

d(uV)/dX = (du/dX)V + u(dV/dX)

d(UV)/dX = (dU/dX)V + U(dV/dX)

重要結論:

d(X'A)/dX = (dX'/dX)A + X'(dA/dX) = IA + X'0 = A

8. 標量y對矩陣X的導數:

類似標量y對列向量X的導數,

把y對每個X的元素求偏導,不用轉置。

dy/dX = [ Dy/Dx(ij) ]

重要結論:

y = U'XV = ΣΣu(i)x(ij)v(j) 於是 dy/dX = [u(i)v(j)] = UV'

y = U'X'XU 則 dy/dX = 2XUU'

y = (XU-V)'(XU-V) 則 dy/dX = d(U'X'XU - 2V'XU + V'V)/dX = 2XUU' -2VU' + 0 = 2(XU-V)U'

9. 矩陣Y對矩陣X的導數:

將Y的每個元素對X求導,然後排在一起形成超級矩陣。

10.乘積的導數

d(f*g)/dx=(df'/dx)g+(dg/dx)f'

結論

d(x'Ax)=(d(x'')/dx)Ax+(d(Ax)/dx)(x'')=Ax+A'x  (注意:''是表示兩次轉置)

比較詳細點的如下:

 矩陣求導公式【轉】


矩陣求導公式【轉】

矩陣求導公式【轉】

矩陣求導公式【轉】

矩陣求導公式【轉】

http://lzh21cen.blog.163.com/blog/static/145880136201051113615571/

http://hi.baidu.com/wangwen926/blog/item/eb189bf6b0fb702b720eec94.html

其他參考:

Contents

  • Notation
  • Derivatives of Linear Products
  • Derivatives of Quadratic Products

Notation

  • d/dx (y)isa vector whose (i) elementis dy(i)/dx
  • d/dx (y) is a vectorwhose (i) elementis dy/dx(i)
  • d/dx (yT)is a matrixwhose (i,j) elementis dy(j)/dx(i)
  • d/dx (Y) is a matrixwhose (i,j) elementis dy(i,j)/dx
  • d/dX (y) is a matrixwhose (i,j) elementis dy/dx(i,j)

Note that the Hermitian transpose is not used because complexconjugates are not analytic.

In the expressions below matrices andvectors ABC donot depend on X.

Derivatives of Linear Products

  • d/dx (AYB) =A * d/dx (Y)* B
    • d/dx (Ay) =A * d/dx (y)
  • d/dx(xTA) =A
    • d/dx(xT) =I
    • d/dx(xTa) =d/dx(aTx)= a
  • d/dX(aTXb)= abT
    • d/dX(aTXa)= d/dX(aTXTa)= aaT
  • d/dX(aTXTb)= baT
  • d/dx (YZ) =Y * d/dx (Z)+ d/dx (Y) *Z

Derivatives of Quadratic Products

  • d/dx (Ax+b)TC(Dx+e)= ATC(Dx+e) + DTCT(Ax+b)
    • d/dx (xTCx)= (C+CT)x
      • [C:symmetric]: d/dx (xTCx)= 2Cx
      • d/dx (xTx)= 2x
    • d/dx (Ax+b)T (Dx+e)= AT (Dx+e) + DT (Ax+b)
      • d/dx (Ax+b)T (Ax+b)= 2AT (Ax+b)
    • [C:symmetric]: d/dx (Ax+b)TC(Ax+b)= 2ATC(Ax+b)
  • d/dX(aTXTXb)= X(abT +baT)
    • d/dX(aTXTXa)= 2XaaT
  • d/dX(aTXTCXb)= CTXabT +CXbaT
    • d/dX(aTXTCXa)= (C +CT)XaaT
    • [C:Symmetric] d/dX(aTXTCXa)= 2CXaaT
  • d/dX((Xa+b)TC(Xa+b))=(C+CT)(Xa+b)aT

Derivatives of Cubic Products

  • d/dx(xTAxxT)=(A+AT)xxT+xTAxI

Derivatives of Inverses

  • d/dx (Y-1)= -Y-1d/dx (Y)Y-1

Derivative of Trace

Note: matrix dimensions must result inan n*n argument fortr().

  • d/dX(tr(X))= I
  • d/dX(tr(Xk))=k(Xk-1)T
  • d/dX(tr(AXk))=SUMr=0:k-1(XrAXk-r-1)T
  • d/dX(tr(AX-1B))= -(X-1BAX-1)T
    • d/dX(tr(AX-1))=d/dX(tr(X-1A))= -X-TATX-T
  • d/dX(tr(ATXBT))= d/dX(tr(BXTA))= AB
    • d/dX(tr(XAT))= d/dX(tr(ATX))=d/dX(tr(XTA))= d/dX(tr(AXT)=A
  • d/dX(tr(AXBXT))= ATXBT + AXB
    • d/dX(tr(XAXT))= X(A+AT)
    • d/dX(tr(XTAX))= XT(A+AT)
    • d/dX(tr(AXTX))= (A+AT)X
  • d/dX(tr(AXBX))= ATXTBT + BTXTAT
  • [C:symmetric] d/dX(tr((XTCX)-1A)= d/dX(tr(A(XTCX)-1)= -(CX(XTCX)-1)(A+AT)(XTCX)-1
  • [B,C:symmetric] d/dX(tr((XTCX)-1(XTBX))= d/dX(tr((XTBX)(XTCX)-1)= -2(CX(XTCX)-1)XTBX(XTCX)-1 +2BX(XTCX)-1

Derivative of Determinant

Note: matrix dimensions must result inan n*n argument fordet().

  • d/dX(det(X))= d/dX(det(XT))= det(X)*X-T
    • d/dX(det(AXB)) =det(AXB)*X-T
    • d/dX(ln(det(AXB)))= X-T
  • d/dX(det(Xk))= k*det(Xk)*X-T
    • d/dX(ln(det(Xk)))= kX-T
  • [Real] d/dX(det(XTCX))=det(XTCX)*(C+CT)X(XTCX)-1
    • [CReal,Symmetric] d/dX(det(XTCX))= 2det(XTCX)*CX(XTCX)-1
  • [CReal,Symmetricc] d/dX(ln(det(XTCX)))= 2CX(XTCX)-1

If y is a functionof x,then dyT/dx isthe Jacobian matrixof y with respectto x.

Its determinant,|dyT/dx|, isthe Jacobian of y withrespect to x andrepresents the ratio of thehyper-volumes dy and dx.The Jacobian occurs when changing variables in an integration:Integral(f(y)dy)=Integral(f(y(x))|dyT/dx|dx).

Hessian matrix

If f is a functionof x then the symmetricmatrixd2f/dx2 = d/dxT(df/dx)is the Hessian matrix off(x). A valueof x for whichdf/dx = 0 correspondsto a minimum, maximum or saddle point according to whether theHessian is positive definite, negative definite or indefinite.

  • d2/dx2 (aTx)= 0
  • d2/dx2 (Ax+b)TC(Dx+e)= ATCD + DTCTA
    • d2/dx2 (xTCx)= C+CT
      • d2/dx2 (xTx)= 2I
    • d2/dx2 (Ax+b)T (Dx+e)= ATD + DTA
      • d2/dx2 (Ax+b)T (Ax+b)= 2ATA
    • [C:symmetric]: d2/dx2 (Ax+b)TC(Ax+b)= 2ATCA
http://www.psi.toronto.edu/matrix/calculus.html

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