Matrix Review
Luo Luo
March 18, 2014
Contents
1 Basic Concepts and Notations 2
2 Matrix Operations and Properties 3
2.1 Matrix Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Vector-Vector Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Matrix-Vector Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3 Matrix-Matrix Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Kronecker Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.5 Block Matrix Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 The Transpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Symmetric Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 The Trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Vector Norms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.6 Vector Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.7 Orthogonality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.8 The Rank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.9 Range and Nullspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.10 QR Factorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.11 Matrix Norms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.11.1 Induced Matrix Norms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.11.2 General Matrix Norms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.12 The Inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.13 The Determinant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.14 Schur Complement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Eigenvalues and Eigenvectors 16
3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 General Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Spectral Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 Spectral Decomposition Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Singular Value Decomposition 19
4.1 Definitions and Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Low-Rank Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3 SVD vs. Spectral Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Quadratic Forms and Definiteness 22
6 Matrix Calculus 24
6.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.2 The Gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6.3 The Hessian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.4 Least Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6.5 Digression: Generalized Inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.6 Gradients of the Determinant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.7 Eigenvalues as Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.8 General Derivatives of Matrix Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7 Bibliographic Remarks 29
1