二三、A转置乘以A可逆

如果矩阵A的列向量线性无关,那么A转置乘以A可逆

证明:

假设矩阵A为:

\underset{n \times k}{\mathbf{A}}=\begin{bmatrix} | & | & \cdots & | \\ a_1 & a_2 & \cdots & a_k \\ | & | & \cdots & | \end{bmatrix}

1. 如果矩阵A的列向量线性无关,那么:

x_1 \vec{a}_1 + x_2 \vec{a}_2 + \cdots + x_k \vec{a}_k = 0

x_1, x_2, \cdots, x_k

都等于0,即:

A\vec{x} = \vec{0}

时,向量x为零,即矩阵A的零空间仅包含0向量

2. A转置乘以A的零空间

假设向量v为(A转置乘以A)的零空间中的任一向量:

\underset{k \times k}{A^TA} \vec{v} = \vec{0}

\vec{v}^T A^TA \vec{v} = \vec{v}^T \vec{0}

(A \vec{v})^T A \vec{v} = \vec{v} \cdot \vec{0}

(A \vec{v}) \cdot (A \vec{v}) = 0

A \vec{v} = \vec{0}

因此,向量v又是矩阵A的零空间中的元素,故向量v等于0向量,因此(A转置乘以A)的列向量线性无关

3. A转置乘以A为方阵

因为A转置乘以A的列向量线性无关,且为方阵,所以可逆

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