矩阵的导数运算1——标量向量方程对向量的求导

1. 标量方程对向量的求导

对向量求导前需要明确使用哪种布局形式,主要分为分母布局和分子布局。

1.1 分母布局

定义y→=y1..ymm×1\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1\\ .\\ .\\ y_m\\ \end{bmatrix}{m\times1}y = y1..ym m×1,f(y→)f(\overrightarrow{y})f(y )为标量,则:
∂f(y→)∂y→=∂f(y→)∂y1..∂f(y→)∂ymm×1\frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial \overrightarrow{y}}= \begin{bmatrix} \frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial y_1}\\ .\\ .\\ \frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial y_m} \end{bmatrix}
{m\times1}∂y ∂f(y )= ∂y1∂f(y )..∂ym∂f(y ) m×1

可以发现求导的结果也是一个向量,且该向量的行数与分母的行数相同(都为m),这种布局称为分母布局。

1.2 分子布局

定义y→=y1..ym1×n\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1&.&.&y_m \end{bmatrix}_{1\times n}y =y1..ym1×n,f(y→)f(\overrightarrow{y})f(y )为标量,则

∂f(y→)∂y→=∂f(y→)∂y1..∂f(y→)∂ym1×n\frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial \overrightarrow{y}}= \begin{bmatrix} \frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial y_1}&.&.&\frac{\partial f(\overrightarrow{y})}{\partial y_m} \end{bmatrix}_{1\times n}∂y ∂f(y )=∂y1∂f(y )..∂ym∂f(y )1×n

可以发现求导的结果也是一个向量,且该向量的行数与分子的行数相同(都为1),这种布局称为分子布局。

2. 向量方程对向量的求导

2.1 定义

以下所有推导都采用分母布局。

定义y→=y1..ymm×1\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1\\ .\\ .\\ y_m\\ \end{bmatrix}{m\times1}y = y1..ym m×1,f(y→)=f1(y→)..fn(y→)n×1f(\overrightarrow{y})= \begin{bmatrix} f_1(\overrightarrow{y})\\ .\\ .\\ f_n(\overrightarrow{y})\\ \end{bmatrix}{n\times1}f(y )= f1(y )..fn(y ) n×1也为向量,则

因为是采用分母布局,所以要严格保证求导后的向量的行数要跟分母相同(都为m),因此在对向量f(y→)f(\overrightarrow{y})f(y )进行展开时展开成行的形式。

举个例子,假设y→=y1y2y33×1\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1\\ y_2\\ y_3\\ \end{bmatrix}{3\times1}y = y1y2y3 3×1,f(y→)=y12+y22y22+2y32×1f(\overrightarrow{y})= \begin{bmatrix} y_1^2+y_2^2\\ y_2^2+2y_3\\ \end{bmatrix}{2\times1}f(y )=y12+y22y22+2y32×1,则

2.2 两个常用的特例

1️⃣

若y→=y1..ymm×1\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1\\ .\\ .\\ y_m\\ \end{bmatrix}{m\times1}y = y1..ym m×1,A=a11..a1m......a1m..ammm×mA= \begin{bmatrix} a{11}&.&.&a_{1m}\\ .&.&&.\\ .&&.&.\\ a_{1m}&.&.&a_{mm} \end{bmatrix}_{m\times m}A= a11..a1m......a1m..amm m×m,则有
∂Ay→∂y→=AT\frac{\partial A\overrightarrow{y}}{\partial \overrightarrow{y}} = A^T∂y ∂Ay =AT

2️⃣

若y→=y1..ymm×1\overrightarrow{y}= \begin{bmatrix} y_1\\ .\\ .\\ y_m\\ \end{bmatrix}{m\times1}y = y1..ym m×1,,,A=a11..a1m......a1m..ammm×mA= \begin{bmatrix} a{11}&.&.&a_{1m}\\ .&.&&.\\ .&&.&.\\ a_{1m}&.&.&a_{mm} \end{bmatrix}_{m\times m}A= a11..a1m......a1m..amm m×m,则有
∂y→TAy→∂y→=Ay→+ATy→\frac{\partial \overrightarrow{y}^TA\overrightarrow{y}}{\partial \overrightarrow{y}} = A\overrightarrow{y}+A^T\overrightarrow{y} ∂y ∂y TAy =Ay +ATy (重要)

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