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矩阵方程不可逆问题转置可解[光声信号求解物质浓度]

矩阵方程不可逆问题转置可解[光声信号求解物质浓度]

作者: Natsuka | 来源:发表于2021-07-13 12:09 被阅读0次

最近在推导光声方程求解血红蛋白浓度的时候遇到了一些问题,因此,在这里对过程做以记录。

根据基础理论,通过比尔法则可以知道:吸光度=消光系数*厚度*物质浓度。
在这里,光声信号求解血红蛋白的摩尔浓度,已知两个波长1064nm和694nm的光声信号P,以及相应波长下的脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白的消光系数\varepsilon,求解两种物质的摩尔浓度C
原理式可以表示为:
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694\_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}\ \varepsilon_{1064\_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

矩阵方程系数矩阵可逆时

如果矩阵\varepsilon可逆,则(Eq. 1)两边可以直接乘逆矩阵,有
\varepsilon^{-1}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 2)
化简后为:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq. 3)

矩阵方程系数不可逆或为任意矩阵时

如果矩阵\varepsilon不可逆或者为任意矩阵,则(Eq. 1)两边可以先乘其转置在乘以他们的逆矩阵,有
\varepsilon^{T}\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{T}P (Eq. 4)
\left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}(\varepsilon^{T}\varepsilon)\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 5)
化简后为:
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \left(\varepsilon^{T}\varepsilon\right)^{-1}\varepsilon^{T}P (Eq. 6)

这里存在一个问题:
为什么对于任意矩阵或者矩阵不可逆的情况,使用逆矩阵的时候,需要先乘其转置,在将整体取逆?换句话说,矩阵乘其转置,为什么是可逆的?
关于该问题的解释可以看一下这个网易视频,证明A^T A可逆。

看完看感觉好难,还涉及到了零空间非线性。头大。

解方程试试

换个思路解决这个不可逆的问题,那就是解方程,然后把X变为P,Y变为C,试试看会怎么样。
源表达式
\varepsilon\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = P (Eq. 1)
其中,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

公式(Eq. 1)对应的方程组为:
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}C_{HbR}= P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.6)

对公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbO_2},下式乘以\varepsilon_{694\_HbO_2},消去C_{HbO_2},表示C_{HbR},有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.7)
两式相减有
\left(\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}\right)C_{HbR}= \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbR}=\frac{ \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}
C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.8)

同理,对公式(Eq.6)上式乘以\varepsilon_{1064\_HbR},下式乘以\varepsilon_{694\_HbR},消去C_{HbR},表示C_{HbO_2},有
\left\{ \begin{matrix} \varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694} \\ \varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}C_{HbO_2}+\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbR}C_{HbR}= \varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right. (Eq.9)
两式相减有
\left(\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}\right)C_{HbO_2}=\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}
C_{HbO_2}=\frac{\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}} {\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}
C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) (Eq.10)

合并(Eq.8)和(Eq.10),得表示浓度的方程组:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}-\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}}\left( \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}- \varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right)\\\end{matrix}\right.
调整分母保持一致,方程组为:
\left\{ \begin{matrix} C_{HbO_2}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694 \_HbR} \varepsilon_{1064 \_HbO_2}}\left(\varepsilon_{1064\_HbR} P_{694}/ \phi_{694}-\varepsilon_{694\_HbR}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\ C_{HbR}=\frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}}\left(- \varepsilon_{1064\_HbO_2}P_{694}/ \phi_{694}+\varepsilon_{694 \_HbO_2}P_{1064}/ \phi_{1064}\right) \\\end{matrix}\right. (Eq.11)

化成矩阵形式
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}} \left|\begin{matrix} \varepsilon_{1064\_HbR} \ -\varepsilon_{694 \_HbR} \\ -\varepsilon_{1064 \_HbO_2} \ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right| \left| \begin{matrix} P_{694}/ \phi_{694}\\ P_{1064}/ \phi_{1064}\\\end{matrix}\right| (Eq.12)
已知,
\varepsilon = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{694 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbR}\\ \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{1064 \_HbR} \\\end{matrix}\right|P=\left|\begin{matrix}P_{694}/ \phi_{694} \\P_{1064}/ \phi_{1064} \\\end{matrix}\right|

|\varepsilon|=\varepsilon_{694\_HbO_2}\varepsilon_{1064\_HbR}-\varepsilon_{694\_HbR}\varepsilon_{1064\_HbO_2}
所以公式(Eq.12),为
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\left|\begin{matrix} -\varepsilon_{1064\_HbO_2} \ -\varepsilon_{694 \_HbO_2} \\\varepsilon_{1064\_HbR} \ \varepsilon_{694\_HbR}\\\end{matrix}\right| P (Eq.13)

又因为2X2矩阵的伴随矩阵为主对角元素位置互换,副对角线元素添加符号(解释),则有
\varepsilon^* = \left|\begin{matrix}\varepsilon_{1064 \_HbR}\ -\varepsilon_{694 \_HbR}\\ - \varepsilon_{1064 \_HbO_2}\ \varepsilon_{694 \_HbO_2}\\\end{matrix}\right|
方程(Eq.13)化为
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^* P (Eq.14)
如果\varepsilon存在逆矩阵,则根据逆矩阵定义\varepsilon^{-1}= \frac{1}{|\varepsilon|}\varepsilon^*,则有
\left|\begin{matrix}C_{HbO_2}\\C_{HbR}\\\end{matrix}\right| = \varepsilon^{-1}P (Eq.15)

做到这里,感觉不知不觉有回到了起点,还是需要保证\varepsilon可逆,即求解未知数的时候,分母也不能为0。

如果不会做的话,可以在涉及具体的问题的时候,再具体分析,寻找解决的办法。

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