8. 初等变换与消元法

线性代数



周维祺

例子

  • 例:孙子算经-今有雉兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雉兔各几何?

  • 消去左下:

  • 消去右上:

例子



  • 交换前两行:

  • 再作消元

对角阵

  • 对角阵:主对角线以外的元素全为,例:

  • 对角阵左乘矩阵即行缩放。对角阵右称矩阵即列缩放。例:

三角阵

  • 上三角阵:主对角线以下的元素全为,例:
    严格上三角阵:主对角线及其以下的元素全为,例:

  • 下三角阵:主对角线以上的元素全为,例:
    严格下三角阵:主对角线及其以下的元素全为,例:

对角阵和三角阵的逆矩阵

  • 对角阵的逆矩阵也是对角阵,其主角线的第个元素就是原矩阵主对角阵主角线上第个元素的倒数

  • 上三角阵的逆矩阵也是上三角阵,下三角阵的逆矩阵也还是下三角阵

  • 上三角阵的乘积也是上三角阵,下三角阵的乘积也还是下三角阵

消元法的策略

利用初等变换将矩阵化为三角或对角形式,再依次解出未知量

初等变换1

  • 交换矩阵中的两行/两列

  • 为交换单位阵中第行和第行所得的矩阵

  • 交换中第行和第行所得的矩阵即

  • 交换中第列和第列所得的矩阵即

初等变换1: 交换矩阵中的两行/两列

初等变换2

  • 将第行(列)乘以常数

  • 为将中第行乘以常数所得的矩阵

  • 中第行乘以常数所得的矩阵即

  • 中第列乘以常数所得的矩阵即

初等变换2: 将第行/列乘以常数

初等变换3

  • 将第行(列)中每个元素都加上第行(列)中对应元素的

  • 为将中第行中每个元素都加上第行中对应元素的倍所得的矩阵

  • 加上倍所得矩阵即

  • 加上倍所得的矩阵即

初等变换3: 将第行/列中每个元素都加上第行/列中对应元素的

左乘=行变换,右乘=列变换

练习

求上述三种初等变换矩阵行列式的值

练习

求上述三种初等变换的逆矩阵

消元法的分解

  • 从一侧不断运用初等行/列变换使之成为单位阵



运用初等变换(1)的场合

主对角线含,例:

用初等变换求逆矩阵

和单位阵并列,并同时对两者使用初等行变换,左侧变为单位阵时右侧即

例子





练习:用初等行变换求以下矩阵的逆

阅读

  • 行等价/列等价/等价 P58

  • 行阶梯形式 P60

  • 行最简形式 P60

小结

  • 消元法的概念

  • 三种初等变换所对应的矩阵及其逆矩阵

  • 用初等变换求逆矩阵

  • 行等价/列等价/等价, 行阶梯/行最简形式