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  • 有向图与关联矩阵

        使用线性代数可以更好理解图相关知识。图由顶点与边组成,以下有向图可以使用关联矩阵表示:

           

        矩阵 A 每行表示一条有向边,每列表示一个顶点信息。该图可以表示一个无源电路系统,通过考察矩阵 A 的四个基本子空间,可以有效理解该电路系统。

        矩阵 A 的零空间

        通过求解 ,其解 x 位于矩阵的零空间。展开方程得如下关系:

          

        通过以上关系,可知 位于矩阵 A 的零空间中,同时以上方程组无法推导出更多的关系,故 是矩阵 A 零空间的唯一基,也即矩阵 A 的秩为 3。

        方程  可展开为:

          ,表示个节点直接的电势差。

        由于 位于零空间,其解为 

        矩阵 A 的列空间

        通过以上分析,矩阵 A 的秩为 3,根据 Kirchhoff"s Voltage Law,回路1 与 回路2 上的电势差为0,可建立如下关系: 

           ,该关系表示矩阵 A 列空间,向量 b 包含 5 个变量,但有两个相关等式,满足矩阵 A 的列空间的维数为 3。

        以上关系表示有向图上符合条件的电势差必须满足等式

        矩阵 A 的左零空间

        通过求解 ,其解 y 位于矩阵的左零空间,表示各条边上的电流,

         ,展开方程组得:

        ,其中,每一个等式表示经过结点的电流为零,故矩阵的左零空间描述了 Kirchhoff"s Current Law。

        通过求解以上方程组,可以得到矩阵 A 的左零空间,但可以根据矩阵 A 的列空间推导出矩阵 A 的左零空间,具体如下:

        1)左零空间 垂直于 列空间;

        2)列空间的维数为 3,矩阵列数为 5,则左零空间的维数为 5 - 3 = 2;

        3)矩阵的列空间满足

        4)关系 3)可改写为 ,由于 位于列空间,

           则 位于矩阵的左零空间,并构成左零空间的一组基。

        矩阵 A 的行空间

        由于矩阵的行空间与矩阵的零空间正交,且已知矩阵 A 的零空间为 ,则矩阵 A 的行空间的维数为 3,并满足关系

        

        以上关系可以使用矩阵表达式简明表达:

        1)各节点电势差为

        2)根据电势差可求得电流 ,C 为常数;

        3)流入与流出各个节点电流和为零

        4)整理可得 

        5)当外接电流源时,可表示为 

        通过各个子空间的维度关系,可以推导图的一个重要的公式:欧拉公式,具体如下:

        

        #loops = #edges - (columns - 1)

        #loops = #edges - (#nodes - 1)

        #edges - #nodes + #loops = 1

        参考资料 Linear Algebra And Its Applications   Gilbert Strang

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