第二章-矩阵及其计算
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第二章 矩阵及其运算课后习题答案1.已知线性变换:⎪⎩⎪⎨⎧++=++=++=,323,53,22321332123211y y y x y y y x y y y x 求从变量321,,x x x 到变量321,,y y y 的线性变换.解由已知:⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛221321323513122y y y x x x故 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-3211221323513122x x x y y y ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=321423736947y y y ⎪⎩⎪⎨⎧-+=-+=+--=321332123211423736947xx x y x x x y x x x y 2.已知两个线性变换⎪⎩⎪⎨⎧++=++-=+=,54,232,232133212311y y y x y y y x y y x ⎪⎩⎪⎨⎧+-=+=+-=,3,2,3323312211z z y z z y z z y 求从321,,z z z 到321,,x x x 的线性变换. 解 由已知⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛221321514232102y y y x x x ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=321310102013514232102z z z ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=321161109412316z z z所以有 ⎪⎩⎪⎨⎧+--=+-=++-=3213321232111610941236zz z x z z z x z z z x3.设⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=111111111A ,,150421321⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=B 求.23B A A AB T 及- 解 A AB 23-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=1504213211111111113⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---1111111112⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=0926508503⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---1111111112⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=22942017222132⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=150421321111111111B A T⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=0926508504.计算以下乘积:(1)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-127075321134; (2)()⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛1233,2,1; (3)()2,1312-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛; (4)⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---⎪⎭⎫ ⎝⎛-20413121013143110412; (5)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321332313232212131211321),,(x x x a a a a a a a a a x x x ; (6)⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛30003200121013013000120010100121. 解 (1)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-127075321134⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯+⨯⨯+⨯-+⨯⨯+⨯+⨯=102775132)2(71112374⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=49635(2)()⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛123321)10()132231(=⨯+⨯+⨯=(3)()21312-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯-⨯⨯-⨯⨯-⨯=23)1(321)1(122)1(2⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=632142(4)⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---⎪⎭⎫ ⎝⎛-20413121013143110412⎪⎭⎫⎝⎛---=6520876 (5)()⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321332313232212131211321x x x a a a a a a a a a x x x ()333223113323222112313212111x a x a x a x a x a x a x a x a x a ++++++=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯321x x x322331132112233322222111222x x a x x a x x a x a x a x a +++++=(6) ⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛30003200121013013000120010100121⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=90003400421025215.设⎪⎭⎫⎝⎛=3121A , ⎪⎭⎫⎝⎛=2101B ,问: (1)BA AB =吗?(2)2222)(B AB A B A ++=+吗?(3)22))((B A B A B A -=-+吗? 解 (1)⎪⎭⎫⎝⎛=3121A , ⎪⎭⎫ ⎝⎛=2101B . 则⎪⎭⎫ ⎝⎛=6443AB ⎪⎭⎫⎝⎛=8321BA BA AB ≠∴ (2) ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=+52225222)(2B A ⎪⎭⎫⎝⎛=2914148但=++222B AB A ⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛43011288611483⎪⎭⎫ ⎝⎛=27151610 故2222)(B AB A B A ++≠+ (3) =-+))((B A B A =⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛10205222⎪⎭⎫⎝⎛9060 而 =-22B A =⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛430111483⎪⎭⎫ ⎝⎛7182故 22))((B A B A B A -≠-+6.举反列说明以下命题是错误的: 〔1〕假设02=A ,则0=A ;〔2〕假设A A =2,则0=A 或E A =; 〔3〕假设AY AX =,且0≠A ,则Y X =. 解 (1) 取⎪⎭⎫⎝⎛=0010A , 02=A ,但0≠A (2) 取⎪⎭⎫⎝⎛=0011A , A A =2,但0≠A 且E A ≠ (3) 取⎪⎭⎫⎝⎛=0001A , ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1111X , ⎪⎭⎫⎝⎛=1011Y . AY AX =且0≠A 但Y X ≠. 7.设⎪⎭⎫⎝⎛=101λA ,求k A A A ,,,32 . 解 ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛=12011011012λλλA ; ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛==1301101120123λλλA A A利用数学归纳法证明: ⎪⎭⎫ ⎝⎛=101λk A k当1=k 时,显然成立,假设k 时成立,则1+k 时⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛==1)1(01101101λλλk k A A A k k由数学归纳法原理知:⎪⎭⎫ ⎝⎛=101λk A k8.设⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λλλ001001A ,求kA .解 首先观察⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λλλλλλ0010010010012A ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=222002012λλλλλ, ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=3232323003033λλλλλλA A A由此推测 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=---k k k k k k k k k k k A λλλλλλ0002)1(121)2(≥k用数学归纳法证明:当2=k 时,显然成立.假设k 时成立,则1+k 时,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⋅=---+λλλλλλλλλ0010010002)1(1211k k k k k k k k k k k k A A A ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++=+-+--+11111100)1(02)1()1(k k k k k k k k k k λλλλλλ 由数学归纳法原理知: ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=---k k k k k k k k k k k A λλλλλλ0002)1(1219.设B A ,为n 阶矩阵,且A 为对称矩阵,证明AB B T 也是对称矩阵. 证明 已知:A A T =则 AB B B A B A B B ABB T T T T TT T T===)()(从而 AB B T 也是对称矩阵.10.设B A ,都是n 阶对称矩阵,证明AB 是对称矩阵的充分必要条件是BA AB =. 证明 由已知:A A T = B B T =充分性:BA AB =⇒A B AB TT=⇒)(AB AB T=即AB 是对称矩阵. 必要性:AB ABT=)(⇒AB A B T T =⇒AB BA =.11.求以下矩阵的逆矩阵:(1)⎪⎭⎫ ⎝⎛5221; (2)⎪⎭⎫ ⎝⎛-θθθθcos sin sin cos ; (3)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---145243121; (4)⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛n a a a 0021)0(21≠a a a n解 (1) ⎪⎭⎫⎝⎛=5221A , 1=A ..1 ),1(2 ),1(2 ,522122111=-⨯=-⨯==A A A A⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛=*122522122111A A A A A . *-=A A A 11⎪⎭⎫ ⎝⎛--=1225(2) 01≠=A 故1-A 存在θθθθcos sin sin cos 22122111=-===A A A A从而 ⎪⎭⎫⎝⎛-=-θθθθcos sin sin cos 1A(3) 2=A , 故1-A 存在 024312111==-=A A A 1613322212-==-=A A A 21432332313-==-=A A A故 *-=A A A 11⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----=1716213213012(4)⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n a a a A 0021. 由对角矩阵的性质知 ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-n a a a A 1001121112.解以下矩阵方程:(1) ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛12643152X ; (2) ⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--234311111012112X ; (3) ⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-101311022141X ; (4) ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛021********0100001100001010X .解(1) ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=-126431521X ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛--=12642153⎪⎭⎫⎝⎛-=80232 (2) 1111012112234311-⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛-=X ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎭⎫⎝⎛-=03323210123431131⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=32538122 (3) 11110210132141--⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=X ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛-=210110131142121⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=21010366121⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=04111 (4) 11010100001021102341100001010--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=X ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=010100001021102341100001010⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=20143101213.利用逆矩阵解以下线性方程组:(1) ⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++;353,2522,132321321321x x x x x x x x x (2)⎪⎩⎪⎨⎧=-+=--=--.0523,132,2321321321x x x x x x x x x解 (1) 方程组可表示为 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321153522321321x x x故 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0013211535223211321x x x从而有 ⎪⎩⎪⎨⎧===001321x x x(2) 方程组可表示为 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----012523312111321x x x故 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-3050125233121111321x x x 故有 ⎪⎩⎪⎨⎧===305321x x x14.设O A k =(k 为正整数), 证明:121)(--++++=-k A A A E A E . 证明 一方面, )()(1A E A E E --=-另一方面,由O A k=有)()()(1122k k k A A A A A A A E E -+--+-+-=-- ))((12A E A A A E k -++++=-故 )()(1A E A E ---))((12A E A A A E k -++++=-两端同时右乘1)(--A E就有121)(--++++=-k A A A E A E15.设方阵A 满足O E A A =--22,证明A 及E A 2+都可逆,并求1-A 及1)2(-+E A .证明 由O E A A =--22得E A A 22=-两端同时取行列式: 22=-A A即 2=-E A A ,故 0≠A . 所以A 可逆,而22A E A =+0222≠==+A A E A 故E A 2+也可逆.由O E A A =--22E E A A 2)(=-⇒E A E A A A 112)(--=-⇒)(211E A A -=⇒- 又由O E A A =--22E E A A E A 4)2(3)2(-=+-+⇒ E E A E A 4)3)(2(-=-+⇒11)2(4)3)(2()2(--+-=-++∴E A E A E A E A)3(41)2(1A E E A -=+∴-16.设A 为3阶矩阵,21=A ,求*13)2(A A --。
第二章 矩阵及其运算一、矩阵的概念与几类特殊方阵(一)矩阵及相关概念1.矩阵阶方阵阶矩阵或是,则称若或矩阵,简记称为列的表格行排成的个数n n A n m a A n m a a a a a a a a a n m a n m n m ij mn m m n n ij =⨯⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯⨯,)( (21)2222111211 2.0矩阵00,则称为零矩阵,记作中所有元素而都是如果矩阵A3.同型矩阵是同型矩阵与则称中如果,矩阵B A t n s m b B a A t s ij n m ij ,,,)(,)(====⨯⨯4.矩阵相等即对应的元素都相等同型矩阵),,(j i b a B A ij ij ∀=⇔= 1. 方阵的行列式 阶行列式其元素可构造对于方阵n a A ij )(=B A B A a a a a a a a a a A nnn n n n ≠≠=得不到由,.............. (2122221)11211(二)几类特殊方阵1.单位矩阵 主对角线上的运算全是1,其余元素均为0的n 阶段方阵,称为n 阶单位矩阵,记为E E A A AE EA ===0;2.对称矩阵),(,j i a a A A n A ji ij T ∀==即阶矩阵,如是设3.反对称矩阵对称矩阵反不一定是对称矩阵,但反也是对称矩阵,则反是同阶的若,即阶矩阵,如是设)()(,,)(,0),(-,-AB A B A B A B A a j i a a A A n A ii ji ij T λ-+=∀==4.对角矩阵 、积仍然是对角矩阵同阶的对角矩阵的和差,对角矩阵记为阶矩阵,如是设Λ≠∀≡)(0j i a n A ij5.逆矩阵 1,-==AA AB A E BA AB B n n A 记为的逆矩阵唯一的逆矩阵,是是可逆矩阵,,则称使阶矩阵阶矩阵,如存在是设6.正交矩阵T T T A A A E A A AA n A ===-1,是正交矩阵,则称阶矩阵,如是设7.伴随矩阵*=A A A A A A A A A A A n A a A n a A nn n n n n ij ij ij 的伴随矩阵,记为,称为阶矩阵所构成的的代数余子式的各元素阶矩阵,则由行列式是设....................)(212221212111二、矩阵的运算(一)矩阵的线性运算1.矩阵的加法CB A B A b a cC n m n m b B a A ij ij ij ij ij =++==⨯⨯==的和称为矩阵矩阵矩阵,则是两个设,)()()(),(2.矩阵的数乘kAA k b a ka n m k n m a A ij ij ij ij 记为的数乘,与矩阵称为数矩阵是一个常数,则矩阵,是设)()()(+=⨯⨯=3.矩阵的乘法nb r A r B Ax B AB A E A A A A B AB BA AB B A BA AB ABC B A b a b a b a b a c c C s m s n b B a A nk kj ik nj in j i j i ij ij ij ij ≤+≠======≠==≠==+++==⨯⨯==∑=)()(,00,0;0,;00,0)2(,)1(,...)()(),(212211则齐次方程组有非零解的解,若程中的每一列都是其次方应联想到或不能堆出,不能退出时,才能运算可交换即与只有换律矩阵的乘法一般没有交的乘积,记为与称为其中矩阵矩阵,则是两个设 ,命题成立矩阵,秩序是若不能退出的列数,则,且若可逆,则,且矩阵若立:以下两种情况消去率成,对于矩阵乘以不具有消去律n A r n m A C B A AC AB B A A r AB B A AB A AB =⨯=≠======≠=)(,,0,)3(0)(000),0(0(二)关于逆矩阵的运算规律A A =--11))(1( 111))(2(--=A k kA 111))(3(---=AB AB 11)())(4(--=T T A A 11)5(--=A A n n A A )())(6(11--=(三)关于矩阵转置的运算规律 A A T T =))(1( T T kA kA =))(2( T T T A B AB =))(3(T T T B A B A +=+))(4((四)关于伴随矩阵的运算规律E A AA A A ==**)1( )2()2(1≥=-*n A A n )2())(3(2≥=-**n A A A n*-*=A k kA n 1))(4( **=)())(5(T T A A1)(,0)(;1)(,1)(;)(,)()6(-=-====***n A r A r n A r A r n A r n A r111-1-,)()(,1)()7(-**-**===A A A A A A AA A 可逆,则若(五)关于分块矩阵的运算法则⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡4433221143214321)1(B A B A B A B A B B B B A A A A ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡DW CY DZ CX BW AY BZ AX W Z Y X D C B A )2( ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡T T T T T D BC AD C B A )3( ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡n n n C OO B C O O B )4( ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--O BC O O C B O C O O B C O O B 111-1-1-1-)4(,三、矩阵可逆的充分必要条件.8,.70.6)(.5,.4)(.30.2.121的特征值全不为总有唯一解非齐次方程组只有零解齐次方程组向量线性无关行的列是初等矩阵其中,有阶方阵存在可逆,等价于阶方阵A b Ax b Ax A P P P P A nA r A EBA AB B n A n i s =∀=⋅⋅⋅==≠==四、矩阵的初等变换与初等矩阵(一)矩阵的初等变换及相关概念1.矩阵的初等变换下述三种对矩阵的行列实施的变换称为矩阵的初等行列变换(1) 对调矩阵的两行列(2) 用非零常数k 乘以某行列中所有元素(3) 把矩阵某行列所有元素的k 倍加至另一行列对应的元素上去(4) 求秩(行列变换可混用);求逆矩阵(只用行或只用列);求线性方程组的解(只用行变换)(5) 不要混淆矩阵的运算2.行阶梯形矩阵与行最简形矩阵(1)具体如下特征的矩阵称为行阶梯形矩阵①零行(即元素全为零的行)全都位于非零行的下方②各非零行坐起第一个非零元素的列指标由上至下是严格增大(2)如果其非零行的第一个非零元素为1,并且这些非零元素所在列的其他元素均为零,这个行阶梯形矩阵称为行最简形矩阵对于任何矩阵A ,总可以经过有限次初等行变换把它化为行阶梯形矩阵和行最简形矩阵(二)初等矩阵的概念单位鞠振宁经过一次初等变换所得到的矩阵称为初等矩阵(三)初等矩阵的性质逆是同类型的初等矩阵初等矩阵均可逆,且其同样的行列初等变换做了一次与就是对矩阵,所得乘右左用初等矩阵.2)()(.1P A AP PA A P )()(100013-001100013001)1()(100021000110002000100101010000101010011-11-11-k E k E k E k E E E ij ij i i ij ij -=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---主对角线以外;主对角线;副对角线五、矩阵的等价(一)矩阵等价的概念的秩是矩阵阶单位矩阵是的等价标准形,其中后者是则称若等价,记作与则称矩阵矩阵经有限次初等变换变成矩阵A r r E A E A B A B A B A r r,,000~.~,⎥⎦⎤⎢⎣⎡ (二)矩阵等价的充分必要条件价向量组等价必有矩阵等向量可以互相线性表示;向量组等价是指两个等价是两个不同的概念矩阵的等价与向量组的使得阶可逆矩阵,阶可逆矩阵矩阵,则存在时设,使和存在可逆矩阵秩是同型矩阵且有相同的,等价于⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⨯=000,.2.1~r E PAQ Q n P m n m A BPAQ Q P B A B A六、常考题型及其解题方法与技巧题型一、有关矩阵的概念及运算题型二、求方阵的幂n A数学归纳法思路,可用相似对角化来求个线性无关的特征向量有,当思路可用二项式定理展开则且,能分解成两个矩阵的和,若思路律就可很方便地求出个矩阵的乘积,用结合能分解为一列与一行两则,若思路,43)(,2,1)(1nn n nA n A CB A CB BC C B A A A A A r +==+== 题型三、求与已知矩阵可交换的矩阵题型四、有关初等变换的问题题型五、关于伴随矩阵的命题题型六、矩阵可逆的计算与证明⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=====----*-O BC O O C B O C O O B C O O B A E E A A E E A A AA EBA E AB B 111-1-1-1-1114)()();()(3121,,分块矩阵法思路,初等变换法思路,伴随矩阵法思路或使,定义法,找出思路 题型七、求解矩阵方程为阶梯形方程组列方程用高斯消元法化不可逆,则可设未知数,若方法可以先求出可逆,则若方法解题思路的列向量表出的每列可由有解等价于A AB A X A B A r A r A B B Ax 2,,1)()(.2.111--===。
第二章 矩阵及其计算
2.1矩阵的基本概念 2.1.1矩阵的定义
n m ⨯个数ij a (n j m i ,,2,1,,2,1 ==;)排成m 行n 列的表格:
⎥
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡mn m m n n a a a a a a a a a 2
1
2222111211称为n m ⨯矩阵,简记为英文字母(如:A )、阿拉伯字母
(如:α)或()n m ij a ⨯. 2.1.2几类特殊的矩阵 (1)行矩阵
只有一行的矩阵:[]n a a a 21称为行矩阵.
(2)列矩阵
只有一列的矩阵:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡n a a a 2
1称为列矩阵.
(3)零矩阵
如果矩阵A 中所有元素都是0,则称其为零矩阵,记作0. (4)方阵
如果矩阵A 中n m =,则称n 阶矩阵或方阵,记作n A . (6)阶梯矩阵
若矩阵A 的零行(元素全为0的行)在最下方且非零首元(即非零行的第一个不为零的元素)的列标号随行标号的增加而严格递增,则称此矩阵A 为阶梯形矩阵.
例如:⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢
⎢⎣⎡-000
23002250
1202
. (7)转置矩阵
将矩阵A 的行列互换得到新的矩阵称为转置矩阵,记为T A . (8)矩阵的k 阶子式
设A 是一个n m ⨯矩阵,A 的任意的k 行与k 列(n k m k ≤≤,)交叉处的2k 个元素,按原来的次序所构成的k 阶行列式,称为矩阵A 的k 阶子式.
注:n 阶行列式A 的顺序主子式为:由i —1(n i ,,2,1 =)行和i —1(n i ,,2,1 =)列所确定的子式. (9)矩阵的顺序主子式
设A 为n n ⨯ 阶矩阵,子式),,2,1(2
1
22221112
11
n i a a a a a a a a a D ii
i i i i
i ⋯=⋯⋯⋯=
称为A 的i 阶顺
序主子式。
对于
阶的矩阵A ,其共有n 阶顺序主子式,即矩阵A 的顺序主子式由
n D D D ,,,11⋯共n 个行列式按顺序排列而成。
2.1.3几种特殊的方阵 (1)对称矩阵
设A 是n 阶矩阵,若T A A =,即ji ij a a =(j i ,∀),则称A 为对称矩阵. (2)反对称矩阵
设A 是n 阶矩阵,若T A A -=,即ji ij a a -=(j i ,∀),则称A 为反对称矩阵. (3)对角矩阵
设A 是n 阶矩阵,若0=ij a (j i ≠∀),则称其为对角矩阵,记为Λ.
注:若对角矩阵的主对角线上元素都是1,称为n 阶单位矩阵,记为E (若要强调其阶数,则记为n E ).且对于n 阶方阵A ,规定E A =0. (4)逆矩阵
设A 是n 阶矩阵,若存在n 阶矩阵B ,使E BA AB ==,则称A 是可逆矩阵,B 是A 的逆矩阵,A 的逆矩阵唯一,记为1-A . 注:①AB 称为矩阵A 和B 的乘积;
②矩阵A 可逆的充要条件是0≠A .
证:若A 可逆,则E AA =-1,故11
1===--E A A AA (参见2.2),所以0≠A ;
若0≠A 时,由于E A A A AA ==*
*
(参见2.2),所以E A A A A A A =⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛**,由逆矩阵的定义可知A 可逆. (5)正交矩阵
设A 是n 阶矩阵,若E A A AA T T ==,则称A 是正交矩阵.
注:正交向量的充要条件:A 的行(列)向量是两两正交的单位向量(参见3.1.2). (6)伴随矩阵
设A 是n 阶矩阵,则行列式A 的各元素ij a 的代数余子式ij A 所构成的n 阶矩阵
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡nn n
n
n n A A A A A A A A A L
M M M L L 212221212111称为A 的伴随矩阵,记为*A .
2.2矩阵的计算 (1)加法
设()ij a A =,()ij b B =是两个n m ⨯矩阵,则n m ⨯矩阵()()()ij ij ij b a c C +==称为矩阵A 和B 的和,记为C B A =+. (2)数乘
设()ij a A =是两个n m ⨯矩阵,k 是一个常数,则n m ⨯矩阵()ij ka 称为数k 与矩阵A 的数乘,记为kA . (3)乘法
设()ij a A =是两个n m ⨯矩阵,()ij b B =是两个s n ⨯矩阵,那么s m ⨯矩阵()ij c C =,其中()∑==++=n
k kj ik j i j i j i ij b a b a b a b a c 1112211 ,称为矩阵A 和B 的乘积,记为
C AB =.
注:①矩阵的乘法不满足交换律:BA AB ≠,其中A ,B 都为n 阶行列式;
②矩阵的乘法满足结合律:()()BC A C AB =,其中()
n
m ij
a A ⨯=,()
p
n ij
b B ⨯=,
()q p ij c C ⨯=.
(4)矩阵计算的一些重要结论(证明略)
①B A AB =; ②()T T T A B AB =; ③()1
1121121----=A A A A A A s s ; ④E A A A AA ==*
*.
【例2.1】已知⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=101110111B ,⎥⎦⎤⎢⎣⎡=654321C ,求矩阵A 使得C AB =. 解:由于01≠=B ,所以B 可逆,且⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡---==*-1111010111B
B B
, 所以⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡---⎥⎦⎤⎢⎣⎡==-1231201111010116543211
CB
A . 【例2.2】已知⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--1643388143131562231X ,求X . 解:设⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣⎡=33
3
222
111
z y x z y x z y x X , 所以对于⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--1643388143131562231
33
3
22
2111z y x z y x z y x ,有: 16
335621
23 438562423 338562323321
321321321321321321321321,,,
⎪⎩⎪
⎨⎧=+--=++-=++⎪⎩⎪⎨⎧=+--=++=++⎪⎩⎪⎨⎧=+--=++=++z z z z z z z z z y y y y y y y y y x x x x x x x x x 解得:⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡--+---=5021134313v u t v u t X ,其中t ,u ,v 为任意常数. 2.3矩阵的初等变换
2.3.1矩阵的初等变换的定义
下述三种对矩阵的的行(列)的变换称为矩阵的初等行(列)变换: (1)对调矩阵的两行(列);
(2)用非零常数k 乘以行(列)中的所以元素;
(3)把矩阵某行(列)所有元素的k 倍加至另一行对应的元素上去. 2.3.2初等矩阵与矩阵等价 (1)初等矩阵的概念
单位矩阵经过一次初等变换所得到的矩阵称为初等矩阵. (2)初等矩阵的性质
①用初等矩阵P 左乘A ,所得PA 就是对矩阵A 作了一次与P 同样的行初等变换;用初等矩阵P 右乘B ,所得BP 就是对矩阵B 作了一次与P 同样的列初等变换. ②初等矩阵都可逆,且其逆是同类型的初等矩阵.例如:
⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡=⎥
⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡--100013001100013-001 10002100011000200011
1
;.
(3)矩阵的等价
矩阵A 经过有限次初等变换变成矩阵B ,则称矩阵A 与矩阵B 等价,记作B A ≅. 两个m n ⨯型矩阵A 与B 等价的充分必要条件是:存在可逆矩阵P 与Q,使得
PAQ B =
证:必要性:由于A 与B 等价,所以存在有限个m 阶初等矩阵1
2,,
,s P P P 及有限
个n 阶初等矩阵1
2,,
,t Q Q Q 使得12
12
=t s QQ Q APP P B (即A 经过有限次行与列
初等变换可得到B ) 令12
s P PP
P =,12t Q QQ Q =,因初等矩阵是可逆矩阵,,可逆矩阵的乘积还是
可逆矩阵,所以P 与Q 可逆,则PAQ B =。
充分性证明类似。
【例2.3】设
123221343A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥
⎢⎥⎣⎦
,求1A -. ()13212310010035221010010322343001001111A E ⎡-⎤
⎡⎤⎢⎥
⎢⎥⎢
⎥=≅--⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎣⎦-⎣⎦
,
则1
1
32353
2
2111A --⎡⎤⎢⎥⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦
.。