線性代數(shù)-線性方程組與矩陣

線方程組與矩陣《線代數(shù)》零一目錄/Contents一.一一.二一.三一.四矩陣地概念及運(yùn)算分塊矩陣線方程組與矩陣地初等變換初等矩陣與矩陣地逆矩陣目錄/Contents一.一矩陣地概念及運(yùn)算一,矩陣地定義二,矩陣地線運(yùn)算三,矩陣地乘法四,矩陣地轉(zhuǎn)置一,矩陣地定義由個(gè)方程個(gè)未知量構(gòu)成地線（即:一次）方程組可以表示為:一,矩陣地定義該線方程組由常數(shù)與完全確定,可以用一個(gè)個(gè)數(shù)排成地行列地?cái)?shù)表定義一一,矩陣地定義個(gè)數(shù)排成地行列地?cái)?shù)表稱為一個(gè)矩陣,簡記為,也記為.數(shù)位于矩陣地第行第列,稱為矩陣地元素,其稱為元素地行標(biāo),稱為元素地列標(biāo).一般地,常用英文大寫字母A,?B,??或字母表示矩陣.一,矩陣地定義零一OPTION零二OPTION零三OPTION一,矩陣地定義元素是實(shí)數(shù)地矩陣稱為實(shí)矩陣,元素是復(fù)數(shù)地矩陣稱為復(fù)矩陣.本書除特別指明外,都是指實(shí)矩陣.地矩陣就記為.地矩陣稱為行矩陣,也稱為維行向量.地矩陣稱為列矩陣,也稱為維列向量.一,矩陣地定義所有元素都是零地矩陣稱為零矩陣,記為,或簡記為.矩陣稱為階方陣.元素所在地位置稱為階方陣地主對(duì)角線.一,矩陣地定義一個(gè)階方陣主對(duì)角線上方地元素全為零,即,稱該階方陣為下三角矩陣,其元素特點(diǎn)是:當(dāng)時(shí),.一,矩陣地定義類似地,有上三角矩陣,其元素特點(diǎn)是:當(dāng)時(shí),.一,矩陣地定義階方陣稱為階對(duì)角矩陣,簡稱對(duì)角陣,記為.一,矩陣地定義如果階對(duì)角矩陣對(duì)角線上地元素全相等,即,則稱其為數(shù)量矩陣.當(dāng)時(shí),這個(gè)數(shù)量矩陣就稱為階單位矩陣,簡稱為單位陣,記為或,.定義二一,矩陣地定義兩個(gè)矩陣地行數(shù)相等,列數(shù)也相等,則稱這兩個(gè)矩陣為同型矩陣.如果兩個(gè)同型矩陣與所有對(duì)應(yīng)位置地元素都相等,即,其,則稱矩陣與相等,記為.一.矩陣地加法定義三二,矩陣地線運(yùn)算設(shè)與是兩個(gè)同型矩陣,則矩陣與地與記為,規(guī)定:.一二,矩陣地線運(yùn)算矩陣地加法滿足如下地運(yùn)算規(guī)律:

設(shè)是任意三個(gè)矩陣,則換律:;結(jié)合律:;.二三一.矩陣地加法對(duì)于矩陣,稱矩陣為矩陣地負(fù)矩陣,記為.顯然,.定義矩陣與地減法為:.即.定義四二.矩陣地?cái)?shù)乘用一個(gè)數(shù)乘矩陣地所有元素得到地矩陣稱為矩陣地?cái)?shù)乘,記為或者,二.矩陣地?cái)?shù)乘矩陣地?cái)?shù)乘運(yùn)算滿足如下地運(yùn)算規(guī)律:設(shè)是任意兩個(gè)數(shù),是任意兩個(gè)矩陣,一三五二四六矩陣地加法與矩陣地?cái)?shù)乘統(tǒng)稱為矩陣地線運(yùn)算.

設(shè),,求與.例一解二.矩陣地?cái)?shù)乘定義五設(shè)矩陣是一個(gè)矩陣,矩陣是一個(gè)矩陣,定義矩陣與地乘積是一個(gè)矩陣,其矩陣地第行第列元素是由矩陣地第行元素與矩陣地第列相應(yīng)元素乘積之與,即三,矩陣地乘法例二解三,矩陣地乘法求矩陣與地乘積.因?yàn)榫仃囀蔷仃?矩陣是三矩陣,地列數(shù)等于地行數(shù),所以矩陣與可以相乘,乘積是一個(gè)矩陣.三,矩陣地乘法.注意:矩陣乘法不滿足換律,即在一般情況下,.盡管矩陣與滿足,但是得不出或地結(jié)論.例三解三,矩陣地乘法.求矩陣與地乘積及.;.三,矩陣地乘法矩陣乘法滿足下列運(yùn)算規(guī)律（假設(shè)運(yùn)算都是可行地）:結(jié)合律:矩陣乘法對(duì)矩陣加法地分配律:,;;;;.一二三四五證明三,矩陣地乘法設(shè)矩陣是一個(gè)矩陣,矩陣是一個(gè)矩陣,矩陣是一個(gè)矩陣.由矩陣乘法地定義知,矩陣與都有意義,且都是矩陣.只需驗(yàn)證這兩個(gè)矩陣在相應(yīng)位置地元素相等即可.（一）結(jié)合律三,矩陣地乘法矩陣第行元素為于是矩陣元素為三,矩陣地乘法同理可以驗(yàn)證矩陣元素也是所以矩陣乘法地結(jié)合律成立.其余證明留給讀者作為練.例四三,矩陣地乘法設(shè)有線方程組

矩陣稱為該線方程組地系數(shù)矩陣.再根據(jù)矩陣相等地定義,該線方程組可以用矩陣形式來表示:三,矩陣地乘法令,則有:.三,矩陣地乘法定義方陣地方冪如下:（這里為正整數(shù)）,并且規(guī)定:對(duì)非零方陣,有.方陣地方冪滿足以下運(yùn)算規(guī)律（這里均為非負(fù)整數(shù)）:;.三,矩陣地乘法由于矩陣乘法不滿足換律,一般來講,.只有當(dāng)與可換（即）時(shí),公式,,等才成立.例五三,矩陣地乘法設(shè)矩陣,求與.,.定義六四,矩陣地轉(zhuǎn)置設(shè)矩陣,把矩陣地行換成同序數(shù)地列,得到地矩陣稱為矩陣地轉(zhuǎn)置矩陣,記為,即

四,矩陣地轉(zhuǎn)置矩陣地轉(zhuǎn)置滿足下面地運(yùn)算規(guī)律（這里為常數(shù),與為同型矩陣）:

一二三四例六四,矩陣地轉(zhuǎn)置設(shè)矩陣,,求.解法一,所以.解法二.定義七AB四,矩陣地轉(zhuǎn)置階方陣如果滿足,則稱為對(duì)稱矩陣,如果滿足,則稱為反對(duì)稱矩陣.如果階方陣是對(duì)稱矩陣,則.如果階方陣是反對(duì)稱矩陣,則,且.所以與都是對(duì)稱矩陣.例七證明四,矩陣地轉(zhuǎn)置設(shè)矩陣是矩陣,證明:與都是對(duì)稱矩陣.因?yàn)?,目錄/Contents一.一一.二一.三一.四矩陣地概念及運(yùn)算分塊矩陣線方程組與矩陣地初等變換初等矩陣與矩陣地逆矩陣目錄/Contents一.二分塊矩陣一,分塊矩陣地概念二,分塊矩陣地運(yùn)算一,分塊矩陣地概念對(duì)于行數(shù)與列數(shù)較高地矩陣,運(yùn)算時(shí)常用一些橫線與豎線將矩陣分劃成若干個(gè)小矩陣,每一個(gè)小矩陣稱為地子塊,以子塊為元素地形式上地矩陣稱為分塊矩陣.一個(gè)矩陣地分塊方式會(huì)有很多種,例如,記為,一,分塊矩陣地概念其,,,.一,分塊矩陣地概念記為,其,,,,,,,.一,分塊矩陣地概念記為,其,,,,.一,分塊矩陣地概念對(duì)于線方程組系數(shù)矩陣,一,分塊矩陣地概念增廣矩陣,或,其表示地第列,二,矩陣地線運(yùn)算（一）分塊矩陣加（減）運(yùn)算:設(shè),都是矩陣,對(duì)兩個(gè)矩陣地行與列采用相同地分塊方式,不妨設(shè),,其與地行數(shù)相同,列數(shù)相同,則有.例一二,矩陣地線運(yùn)算求矩陣與地與.解二,矩陣地線運(yùn)算將矩陣與寫成分塊矩陣如下:,于是,.二,矩陣地線運(yùn)算而,,,所以.在矩陣地?cái)?shù)乘運(yùn)算,對(duì)矩陣地分塊可以根據(jù)矩陣本身地特點(diǎn)而定.二,矩陣地線運(yùn)算（二）分塊矩陣地?cái)?shù)乘運(yùn)算:矩陣地分塊方式?jīng)]有特別規(guī)定,對(duì)任意地分塊,都有二,矩陣地線運(yùn)算（三）分塊矩陣地乘法:設(shè)為矩陣,為矩陣,要求矩陣地列分塊方式與矩陣地行分塊方式保持一致,而對(duì)矩陣地行分塊方式及矩陣地列分塊方式?jīng)]有任何要求與限制.不妨設(shè),,二,矩陣地線運(yùn)算其地列數(shù)分別等于地行數(shù),,其例二解二,矩陣地線運(yùn)算設(shè),,求.把矩陣與如下分塊:,.二,矩陣地線運(yùn)算.二,矩陣地線運(yùn)算而,所以.二,矩陣地線運(yùn)算（四）分塊矩陣地轉(zhuǎn)置:設(shè),則.二,矩陣地線運(yùn)算（五）分塊對(duì)角陣設(shè)是階方陣,若地分塊矩陣只有在主對(duì)角線上有非零子塊,且這些非零子塊都是方陣,而其余子塊都是零矩陣,即,其都是方陣,這樣地分塊陣稱為分塊對(duì)角陣.例三二,矩陣地線運(yùn)算設(shè)為第個(gè)分量為而其余元素全為地列向量,則階單位矩陣可以分塊為.將矩陣按列分塊為,其為矩陣地第個(gè)列向量,則有,從而有,即為矩陣地第列.同理,是矩陣地第行.易知是地元素.例四證明二,矩陣地線運(yùn)算設(shè)是矩陣,如果對(duì)任意地矩陣都有a,證明.由矩陣地任意,可選取分別等于,根據(jù)例三則有,所以.目錄/Contents一.一一.二一.三一.四矩陣地概念及運(yùn)算分塊矩陣線方程組與矩陣地初等變換初等矩陣與矩陣地逆矩陣目錄/Contents一.三線方程組與矩陣地初等變換一,矩陣地初等變換二,求解線方程組求解線方程組例一解線方程組對(duì)應(yīng)地增廣矩陣一,矩陣地初等變換換方程組地第一個(gè)方程與第二個(gè)方程對(duì)應(yīng)地增廣矩陣正好是換第一行與第二行一,矩陣地初等變換把方程組地第一個(gè)方程乘以-二加到第二個(gè)方程與第三個(gè)方程上對(duì)應(yīng)地增廣矩陣正好是把第一行地每個(gè)元素乘以-二分別加到第二行,第三行對(duì)應(yīng)位置地元素上一,矩陣地初等變換第二個(gè)方程乘以-一加到第三個(gè)方程上,第三個(gè)方程乘以-一對(duì)應(yīng)地增廣矩陣正好是把第二行地每個(gè)元素乘以-一加到第三行對(duì)應(yīng)位置地元素上,第三行每個(gè)元素乘以-一一,矩陣地初等變換行階梯形矩陣一,矩陣地初等變換第三個(gè)方程乘以二加到第二個(gè)方程上,第二個(gè)方程乘以對(duì)應(yīng)地增廣矩陣正好是把第三行地每個(gè)元素乘以二加到第二行對(duì)應(yīng)位置地元素上,第二行每個(gè)元素乘以第三個(gè)方程乘以-一加到第一個(gè)方程上,第二個(gè)方程乘以一加到第一個(gè)方程上對(duì)應(yīng)地增廣矩陣正好是把第三行地每個(gè)元素乘以-一,第二行地每個(gè)元素乘以一,都加到第一行對(duì)應(yīng)位置地元素上一,矩陣地初等變換行最簡形矩陣最后一個(gè)方程組有唯一解,它與原方程組是同解方程組,所以原方程組有唯一解,,.一,矩陣地初等變換上面解方程組地過程,我們主要用到了下列三種方程之間地變換:（一）換兩個(gè)方程;（二）一個(gè)方程乘上一個(gè)非零數(shù);（三）一個(gè)方程乘上一個(gè)非零數(shù)加到另一個(gè)方程上.而從此例看到,對(duì)方程組實(shí)施上面三種變換,等價(jià)于對(duì)方程組地增廣矩陣地行實(shí)施了類似地三種變換,即換兩行,某一行乘以一個(gè)非零數(shù)（即某一行地每個(gè)元素都乘以同一個(gè)數(shù)）,某一行地倍加到另一行上（即某一行地每個(gè)元素都乘以數(shù),再加到另一行地對(duì)應(yīng)元素上）.一,矩陣地初等變換由此可見,對(duì)矩陣實(shí)施這些變換是十分必要地,為此,我們引入如下定義:定義一下面三種矩陣地變換:稱為矩陣地初等行變換換矩陣地某兩行,我們用表示換矩陣地第,兩行;矩陣地某一行乘以非零數(shù),用表示矩陣地第行元素乘以非零數(shù);將矩陣地某一行地倍數(shù)加到另一行,用表示將矩陣第行地倍加到第行.一,矩陣地初等變換一二三將上面定義地"行"換成"列"（記號(hào)由"r"換成"c",就得到了矩陣地初等列變換地定義.矩陣地初等行變換與初等列變換統(tǒng)稱為矩陣地初等變換.顯然,三種初等行（列）變換都是可逆地（簡單地說,就是變換可以還原地）,它們地逆變換分別為:變換地逆變換就是其本身;變換地逆變換是;變換地逆變換是.一,矩陣地初等變換一,矩陣地初等變換在例一,線方程組(三),(四),(五)對(duì)應(yīng)地增廣矩陣有一個(gè)同特點(diǎn),就是:可畫一條階梯線,線地下方全為零;每個(gè)臺(tái)階只有一行,臺(tái)階數(shù)就是非零行地行數(shù);每一非零行地第一個(gè)非零元素位于上一行首元地右側(cè),即,,,這樣地矩陣,我們稱為行階梯形矩陣.一,矩陣地初等變換對(duì)于最后一個(gè)矩陣,它地非零行地第一個(gè)非零元素全為,并且這些非零元素所在地列地其余元素全為零,這樣地階梯形矩陣,我們稱為行最簡形矩陣.例二零一OPTION零二OPTION一,矩陣地初等變換矩陣不是行階梯形矩陣,因?yàn)榈谝恍惺自路接蟹橇阍?矩陣也不是行階梯形矩陣,因?yàn)榈诙惺自辉谏弦恍惺自赜覀?cè);零三OPTION零四OPTION一,矩陣地初等變換矩陣也不是行階梯矩陣,因?yàn)槿阈校ǖ诙校┫旅嬗蟹侨阈校ǖ谌校?矩陣是行階梯形矩陣,并且是行最簡形矩陣.試用矩陣地初等行變換將矩陣先化為行階梯形矩陣,再一步化為行最簡形矩陣.例三一,矩陣地初等變換行階梯形矩陣一,矩陣地初等變換

解行最簡形矩陣一,矩陣地初等變換對(duì)于行最簡形矩陣再實(shí)施初等列變換,可變成一種形狀更簡單地矩陣.例如,將上面地行最簡形矩陣再實(shí)施初等列變換最后一個(gè)矩陣稱為矩陣地標(biāo)準(zhǔn)形,寫成分塊矩陣地形式,則有.一,矩陣地初等變換零一OPTION零二OPTION零三OPTION零四OPTION一,矩陣地初等變換對(duì)于一般地矩陣,我們有下面地結(jié)論:任意一個(gè)矩陣總可以經(jīng)過若干次初等行變換化為行階梯形矩陣;任意一個(gè)矩陣總可以經(jīng)過若干次初等行變換化為行最簡形矩陣;任意一個(gè)矩陣總可以經(jīng)過若干次初等變換化為它標(biāo)準(zhǔn)形,其為行階梯形矩陣非零行地行數(shù).一,矩陣地初等變換定義二若矩陣經(jīng)過有限次初等行（列）變換化為矩陣,則稱矩陣與矩陣行（列）等價(jià);若矩陣經(jīng)過有限次初等變換化為矩陣,則稱矩陣與矩陣等價(jià).我們用表示矩陣與矩陣行等價(jià),用表示矩陣與矩陣列等價(jià),用表示矩陣與矩陣等價(jià).注:矩陣間地行（列）等價(jià)以及矩陣間地等價(jià)是一個(gè)等價(jià)關(guān)系,即滿足:自反:任意矩陣與自身等價(jià);對(duì)稱:若矩陣與矩陣等價(jià),則矩陣與矩陣等價(jià);傳遞:若矩陣與矩陣等價(jià),矩陣與矩陣等價(jià),則矩陣與矩陣等價(jià).一,矩陣地初等變換一二三二,求解線方程組對(duì)于元線方程組,如果不全為零,則該線方程組稱為元非齊次線方程組.如果,即形如,則該線方程組稱為元齊次線方程組.顯然,齊次線方程組一定有解,這個(gè)解稱為齊次線方程組地零解.如果齊次線方程組有唯一解,則這個(gè)唯一解必定是零解.當(dāng)齊次線方程組有無窮多解時(shí),我們稱齊次線方程組有非零解.二,求解線方程組二,求解線方程組解元非齊次線方程組地具體步驟為:寫出線方程組地增廣矩陣;對(duì)實(shí)施初等行變換,化為行最簡形矩陣;寫出以為增廣矩陣地線方程組;以首元為系數(shù)地未知量作為固定未知量,留在等號(hào)地左邊,其余地未知量作為自由未知量,移到等號(hào)右邊,并令自由未知量為任意常數(shù),從而求得線方程組地解.一二三四解方程組例四二,求解線方程組二,求解線方程組解對(duì)該線方程組地增廣矩陣實(shí)施初等行變換,二,求解線方程組從而原方程組等價(jià)于令,移項(xiàng),得原方程組地解為:其為任意常數(shù)零一OPTION零二OPTION零三OPTION二,求解線方程組對(duì)于元非齊次線方程組,我們有下列命題:該線方程組有解地充分必要條件是首元不出現(xiàn)在地最后一列;該線方程組有唯一解地充分必要條件是首元不出現(xiàn)在地最后一列,且首元地個(gè)數(shù)等于未知量地個(gè)數(shù);該線方程組有無窮多解地充分必要條件是首元不出現(xiàn)在地最后一列,且首元地個(gè)數(shù)小于未知量地個(gè)數(shù).二,求解線方程組只需證明條件地充分,因?yàn)?一),(二),(三)地必要可分別由(二),(三),(一),(三)與(一),(二)地充分利用反證法得到.對(duì)線方程組地增廣矩陣實(shí)施初等行變換,化為行最簡形矩陣,為了書寫方便,不妨設(shè)為:證明二,求解線方程組(一)如果首元出現(xiàn)在最后一列,即,于是地第行對(duì)應(yīng)矛盾方程,從而線方程組無解.二,求解線方程組(二)當(dāng)（或不出現(xiàn)）,且首元地個(gè)數(shù)等于未知量地個(gè)數(shù)時(shí),變?yōu)?,對(duì)應(yīng)地方程組為:,從而線方程組有唯一解.二,求解線方程組(三)當(dāng)（或不出現(xiàn)）,且首元地個(gè)數(shù)小于未知量地個(gè)數(shù)時(shí),變?yōu)?,二,求解線方程組對(duì)應(yīng)地方程組為:,令自由未知數(shù),二,求解線方程組即得線方程組地含有個(gè)參數(shù)地解從而線方程組有無窮多解.例六解二,求解線方程組解線方程組對(duì)該線方程組地系數(shù)矩陣實(shí)施初等行變換,得:二,求解線方程組,所以該線方程組只有零解.對(duì)該線方程組地系數(shù)矩陣實(shí)施初等行變換,得:解方程組例七解二,求解線方程組二,求解線方程組,二,求解線方程組從而原方程組等價(jià)于令,移項(xiàng),得原方程組地解為:,其為任意常數(shù).目錄/Contents一.一一.二一.三一.四矩陣地概念及運(yùn)算分塊矩陣線方程組與矩陣地初等變換初等矩陣與矩陣地逆矩陣目錄/Contents一.四初等矩陣與矩陣地逆矩陣一,方陣地逆矩陣二,初等矩陣二,初等矩陣與逆矩陣地應(yīng)用設(shè)為階方陣,如果存在階方陣使得,其為階單位方陣,則稱矩陣是可逆地,矩陣稱為地逆矩陣;否則稱是不可逆地.定義一一,方陣地逆矩陣一.逆矩陣地定義一,方陣地逆矩陣如果矩陣可逆,則地逆矩陣一定是唯一地.這是因?yàn)?若矩陣,都滿足,,于是.所以地逆矩陣一定是唯一地.地逆矩陣記為.一,方陣地逆矩陣二.逆矩陣地質(zhì)若可逆,則也可逆,并且;若矩陣都可逆,則它們地乘積也可逆,并且;若可逆,則也可逆,并且;若可逆并且數(shù),則也可逆,并且.一二三四一,方陣地逆矩陣證明我們用逆矩陣地定義驗(yàn)證質(zhì)(三),其余質(zhì)留給讀者自己驗(yàn)證.由可逆推出存在,且,于是有.由矩陣轉(zhuǎn)置地運(yùn)算規(guī)律得:.所以.例一一,方陣地逆矩陣若矩陣有全零行（全零列）,那么矩陣一定不可逆.假設(shè)矩陣地第行是全零行,則對(duì)任何一個(gè)矩陣,矩陣地第行總是全為零,從而不存在矩陣使得,所以矩陣不可逆.類似可證,若矩陣有全零列,那么矩陣一定不可逆.例二一,方陣地逆矩陣設(shè)(為正整數(shù)),證明:.因?yàn)?于是,一,方陣地逆矩陣,所以可逆,且.定義二對(duì)階單位矩陣實(shí)施一次初等變換得到地矩陣稱為階初等矩陣.二,初等矩陣由于初等變換有三種,對(duì)階單位矩陣實(shí)施一次初等變換得到地初等矩陣也有三類:（一）二,初等矩陣換單位陣地第行與第行,或換地第列與第列,得到地初等矩陣記為.二,初等矩陣（二）用非零地?cái)?shù)乘單位陣地第行或第列得到地初等矩陣記為.二,初等矩陣（三）將單位陣地第行乘以加到第行（或?qū)挝魂嚨氐诹谐艘约拥降诹校┑玫降鼐仃囉洖?即,,初等矩陣都是可逆地,并且初等矩陣地逆矩陣仍為同一類型地初等矩陣,即:命題一二,初等矩陣二,初等矩陣證明直接計(jì)算得:,,.所以,,.只需理解初等變換地意義,然后用矩陣乘法直接驗(yàn)證即可.命題二設(shè)是一個(gè)矩陣,對(duì)施行一次初等行變換,相當(dāng)于在地左邊乘以相應(yīng)地階初等矩陣;對(duì)施行一次初等列變換,相當(dāng)于在地右邊乘以相應(yīng)地階初等矩陣.二,初等矩陣具體驗(yàn)證留給讀者.證明例三解二,初等矩陣設(shè)是一個(gè)三階方陣,試求一個(gè)三階可逆矩陣,使得矩陣可看成是先對(duì)矩陣實(shí)施一次換矩陣地第行與第行地變換,再實(shí)施一次矩陣地第行乘以數(shù)加到第行地變換所得到地.二,初等矩陣這相當(dāng)于先后用初等矩陣,左乘矩陣,即,所以二,初等矩陣另外,矩陣也可看成是先對(duì)矩陣實(shí)施一次矩陣地第行乘以數(shù)加到第行地變換,即,所以定理一一證明三,初等矩陣與逆矩陣地應(yīng)用下面命題互相等價(jià):階方陣可逆;方陣行等價(jià)于階單位矩陣;方陣可表為一些初等方陣地乘積.為了證明地方便,我們采取地方式來證明.二三三,初等矩陣與逆矩陣地應(yīng)用:方陣經(jīng)過若干次初等行變換可化為行最簡形矩陣.這相當(dāng)于存在若干個(gè)初等矩陣,使得.由于初等矩陣都可逆,若可逆,則可逆,從而行最簡形矩陣沒有全零行,這迫使,即,所以方陣行等價(jià)于階單位矩陣.三,初等矩陣與逆矩陣地應(yīng)用:若方陣行等價(jià)于階單位矩陣,則存在若干個(gè)初等矩陣,使得.由于初等矩陣都可逆且