Linear_algebra_3

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A=
a1 . . . , A = ( α 1 , · · · , α n ), am

则验证上述定理比较方便. 定理2 初等变换矩阵可逆, 且有 E (i, j )−1 = E (i, j ), 1 , E (i(k))−1 = E i k E (ij (k))−1 = E (ij (−k)). 说明: 定理表明初等变换的逆仍为初等矩阵.
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定 理3 设 A与 B 为 m × n矩 阵, 则 r 1) A ∼ B 的充 要条 件 是存 在m阶 可 逆矩 阵P 使得 P A = B ; c 2) A ∼ B 的充 要条 件 是存 在n阶 可逆 矩阵 Q使 得AQ = B ; 3) A ∼ B 的充 要条 件 是存 在m阶 可 逆矩 阵P 与n阶 可逆 矩阵 Q使 得 P AQ = B. 证 明: 1) 由 初 等 矩 阵 的 性 质(定 理1)及 A ∼ B (A经 过 通 过 有 限 次 初 等 行 变换 后可 得 到矩 阵B )知道 存在 初 等矩 阵P1, P2, · · · , Pk , 使 得 Pk · · · P2P1A = B, 令 P = Pk · · · P2P1, 则有 P A = B , 且
−1 −1 −1 P −1 = P1 P2 · · · Pk . r
同 理可 证结 论2), 3).
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四 行阶梯形矩阵, 行最简形矩阵, 标准形 1. 行阶 梯 形矩 阵 具有 如 下特 点 的矩阵 称 为行 阶梯 形矩 阵 (1) 可画 出 一条 阶梯 线, 线 的下 方 全为 0; (2) 阶梯 线 的每 一台 阶只 占一 行 , 台阶 数即 非零 行 的行 数; (3) 阶梯 线 的竖 线后 第一 个元 素 为非 零元 . 2. 行 最 简 形 矩 阵 非 零 行 的第 一 个 非 零 元 为1, 且 这 些 非 零 元 所 在 列 的 其 它元素为零. 例 如: 下 述矩 阵中, A, B 为行 阶梯 形 矩阵 ; B 为 行最 简 形矩 阵, A不是 .
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例如: 已知线性方程组及其增广矩阵如下:
2x1 −2x2 +4x3 −2x4 = 2, (1)
x1
+2x2 −x3 −x4 4x1 +2x2 +2x3 −4x4 = 4. (3)
= 1, (2) , B0 = 1
2 −2 4 −2 2 2 −1 −1 1 . 4 2 2 −4 4
A=
1 0 0 0
1 −2 7 −1 0 0 0 0
1 4 1 0 4 −3 0 0


, B =
1 0 0 0
0 −2 1 −1 0 0 0 0
0 4 0 0 1 −3 0 0
.
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对 上 述 行 最 简 形 矩 阵 可 以 通 过 适 当 的 初 等 列 变 换, 可 以 变 为 一 个 左 上 角 为单位阵, 其余元素全为零的矩阵:
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3) 数k乘单 位矩 阵的 第j 行(列 )加到 第i(i = j )行 (列 ), 得初 等矩 阵
E (ij (k)) =
1

... 1 ··· ... k . . . 1
... 1

可以验证: • 以 Em(ij (k))左 乘 矩 阵 A ∈ Rm×n, 其 结 果 相 当 于 把 A的 第 j 行 乘 k加 到 第 i行 上; • 以 En(ij (k))(可 以 看 成 是 由 单 位 矩 阵 的 的 第 i列 乘 k加 到 第 j 列 得 到 )右 乘 矩阵 A, 其结 果相 当于 把 A的 第i列乘 k加 到 第j 列上 .
1 0 0 1
,
其 中 c1 , c 2 为 任 意 常 数 . 由 上 述 例 子 可 知, 我 们 只 要 对 增 广 矩 阵 进 行 变 换 就 可 以 将 相 应 的 方 程 组 化 简, 因 此, 自 然 地 将 上 述 三 种 同 解 变 换 移 植 到 矩 阵 上 可 得 矩 阵 的 三 种 初等行变换. 二 矩阵的初等变换 1. 初等 行 变换 (1) 对调矩 阵两 行(对 调i, j 两 行, 记 作ri ↔ rj ); (2) 以数 k = 0乘 以矩 阵 的某 一行 中的 所 有元 素(第 i行 乘k, 记 作k × ri); (3) 把 某 一 行 所 有 元 素 的 k倍 加 到 另 一 行 对 应 的 元 素 上 去 (第 j 行 的k倍 加 到第i行 上, 记 作ri + krj ).

将 方程 组进 行下 述 变换 : (1) × 1/2得 (1 ); (2) − (1 )得(2 ); (3) − 4 × (1 )得(3 ), 并 将相 应的 变换 作 用 于增广 矩阵 B0上, 则 有
x − x2 1 +2x3 −x4 = 1, (1 ) 1 −1 2 −1 1 3x2 −3x3 = 0, (2 ) , B1 = 0 3 −3 0 0 . 0 6 −6 0 0 6x2 −6x3 = 0. (3 )
施行下述三种变换所得的新的方程组与原方程组同解. (1) 交换 方程 组 某两 个方 程的 次 序; (2) 用非 零数 乘 以某 个方 程; (3) 一个 方程 加 上另 一个 方程 的 k倍. 说 明: 线 性 方 程 组 实 施 上 述 变 换 所 得 方 程 组 与 原 方 程 组 的 增 广 矩 阵 实 施 相应变换所得新的增广矩阵对应的方程组一样.
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2. 初 等 列 变 换 把 上 述 初 等 行 变 换 定 义 中 的 ”行”换 成”列 ”即 得 矩 阵 的 初等列变换. 3. 初等 变 换 初等 行变 换 与初 等列 变换 统 称为 初等 变换 . 说 明 : 变 换ri ↔ rj 的 逆 变 换 为 ri ↔ rj ; 变 换 k × ri的 逆 变 换 为 1/k × ri; 变 换ri + krj 的逆 变换 为ri − krj ; 类似 的可 以给 出 初等 列变 换的 逆变 换 , 易见初等变换的逆变换仍是初等变换. 4. 矩 阵 A与B 等 价 如 果 矩 阵A经 过 有 限 次 初 等 行(列 )变 换 变 成 矩 阵 B , r c 则 A与 B 行(列 )等 价 , 记 作A ∼ B (A ∼ B ); 如 果 矩 阵 A经 过 有 限 次 初 等 变 换变 成矩 阵 B , 则 A与 B 等价 , 记作 A ∼ B . 说 明: 如 果 矩 阵 A经 过 有 限 次 初 等 变 换 变 成 矩 阵 B , 则B 也 可 经 过 有 限 次 初 等变 换变 成矩 阵 A; A与B 等 价不 表示 A与B 相 等.
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3. 初等 矩 阵的 性质 定 理 1 设A是 一 个m × n矩 阵, 对 A施 行 一 次 初 等 行 变 换, 相 当 于 在A的 左 边 乘 以 相 应 的m阶 初 等 矩 阵, 对 A施 行 一 次 初 等 列 变 换 , 相 当 于 在 A的 右边 乘 以相 应的 n阶初 等矩 阵. 说 明: 若 把A写成 如下 块 的形 式
E (i, j ) =
1

... 1 0 . . . 1 1 ··· ... 1 ··· 0 1 ... 1 1 . . .

可以验证: • 用 m阶初 等 矩阵 Em(i, j )左 乘矩 阵A = (aij )m×n得
,
其 结 果 相 当 于 对 矩 阵 A施 行 第 一 种 初 等 行 变 换: 把 A的 第 i行 与 第j 行 对 调; • 类 似 的, 以 n阶 初 等 矩 阵En(i, j )右 乘 矩 阵 A, 其 结 果 相 当 于 对 矩 阵 A施 行 第一 种列 初等 列 变换 : 把A的 第i列 与第 j 列对 调.
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§1
一 引言 容易知道对线性方程组
矩阵的初等变换
a11x1 + a12x2 + · · · + a1nxn = b1 a x + a x + · · · + a xn = b 21 1 22 2 2n 2 ······ am1x1 + am2x2 + · · · + amnxn = bm
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2) 数k = 0乘单 位阵 的 i行或 i列 , 得初 等 矩阵
E (i(k)) = .
可以验证: • 以 Em(i(k))左 乘 矩 阵 A ∈ Rm×n, 其 结 果 相 当 于 对 矩 阵 A施 以 第 二 种 初 等行 变换 : 以 数k乘 A的第i行 ; • 以 En(i(k))右 乘 矩 阵 A, 其 结 果 相 当 于 对 矩 阵 A施 以 第 二 种 初 等 列 变 换 : 以数 k乘 A的 第i列.
进 一步 , (2 ) × 1/3得(2 ), (3 ) − 6 × (2 )得 (3 ); 并 将相 应的 变换 作 用 于 增 广 矩 阵 B1 上 , 则 有
x −x2 +2x3 −x4 = 1, (1 ) 1
x 2 − x3 0
1 −1 2 −1 1 = 0, (2 ) , B2 = 0 1 −1 0 0 . 0 0 0 0 0 = 0. (3 )
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Em(i, j )A =
a11 a11 · · · a1n . . . . . . . . . aj 1 aj 1 · · · ajn . . . . . . . . . . . . ai1 ai2 · · · ain . . . . . . . . . . . . am1 am2 · · · amn


3
对于上述简化了的线性方程组, 容易得到其解为