5._向量组的等价

在矩阵等价里介绍了矩阵等价的定义,如果一个矩阵B=PAQB=P A Q,则称呼为BAB \simeq A, 详见此处, 矩阵等价从方程的角度理解,反映的是“同解方程组”。从映射角度理解,矩阵等价意思是矩阵BB经过一些列初等变换,能变成矩阵AA但是根据定义,如何快速判断两个矩阵等价是一个比较棘手的问题 我们需要进一步寻找新的方法来解决这个问题,为此先引入向量组的等价。

向量组等价的定义

定义A:α1,α2,,αmA: \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_mmmnn 维向量组成的向量组,而 B:β1,β2,,βsB: \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_sssnn 维向量组成的向量组. 如果向量组 BB 中每一个 向量 βj(j=1,2,,s)\beta_j(j=1,2, \cdots, s) 均可由向量组 A:α1,α2,,αmA: \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_m 线性表示, 则称向量组 B:β1,β2,,β3B: \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_3 可由向量组 A:α1,α2,,αmA: \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_m 线性表示. 如果向量组 AA 与向量组 BB 可以相互线性表示,则称向量组 AA 与向量组 BB 等价.

向量等价的判定定理

A:α1,α2,,αnA: \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_nmmnn 维向量组成的向量组,而 B:β,β,,βB: \beta, \beta, \cdots, \beta, 是 ssnn 维向量组成的向量组. 令矩阵 A=(α1,α2,,αn)B=(β1,β2,,βs)A=\left(\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n\right) , B=\left(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_s\right) ,则向量组 BB 可由向量组 AA 线性表示的充分必要条件是矩阵方程 AX=BA X=B 有解.

证明:若向量组 B:β1,β2,,βsB: \boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \cdots, \boldsymbol{\beta}_s 可由向量组 A:α1,α2,,αmA: \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_m 线性表示, 则对向量组 BB 中每一个向量 βj(j=1,2,,s)\beta_j(j=1,2, \cdots, s) ,存在一组数 k1j,k2j,,kmjk_{1 j}, k_{2 j}, \cdots, k_{m j} ,使得

βj=k1jα1+k2jα2++kmjαm=(α1,α2,,αm)(k1jk2jkmj)(j=1,2,,s).\boldsymbol{\beta}_j=k_{1 j} \boldsymbol{\alpha}_1+k_{2 j} \boldsymbol{\alpha}_2+\cdots+k_{m j} \boldsymbol{\alpha}_m=\left(\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_m\right)\left(\begin{array}{c} k_{1 j} \\ k_{2 j} \\ \vdots \\ k_{m j} \end{array}\right)(j=1,2, \cdots, s) .

以向量 (k1jk2jkmj)\left(\begin{array}{c}k_{1 j} \\ k_{2 j} \\ \vdots \\ k_{m j}\end{array}\right) 为列,得到一个 m×sm \times s 矩阵

Km×s=(k11k12k1sk21k22k2skm1km2kms).\boldsymbol{K}_{m \times s}=\left(\begin{array}{cccc} k_{11} & k_{12} & \cdots & k_{1 s} \\ k_{21} & k_{22} & \cdots & k_{2 s} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ k_{m 1} & k_{m 2} & \cdots & k_{m s} \end{array}\right) .

矩阵 Km×s{K}_{m \times s} 称为这一线性表示的系数矩阵.

令矩阵 A=(α1,α2,,αm)B=(β1,β2,,βs)A=\left(\alpha_1, {\alpha}_2, \cdots, {\alpha}_m\right) , B=\left(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_s\right) ,则有 B=AKm×sB={A} {K}_{m \times s}.

也就是说,若向量组 B:β1,β2,,βs\boldsymbol{B}: \boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \cdots, \boldsymbol{\beta}_s 可由向量组 A:α1,α2,,αm\boldsymbol{A}: \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_m 线性表示,则矩阵方程

AX=BA X=B

有解 X=Km×s\boldsymbol{X}=\boldsymbol{K}_{m \times s} . 若向量组 A\boldsymbol{A} 与向量组 B\boldsymbol{B} 等价,则存在系数矩阵 Km×s\boldsymbol{K}_{m \times s}Ms×m\boldsymbol{M}_{s \times m} ,使得

B=AKm×s,BMs×m=A\boldsymbol{B}=\boldsymbol{A} \boldsymbol{K}_{m \times s}, \boldsymbol{B} \boldsymbol{M}_{s \times m}=\boldsymbol{A}

同时成立.亦即矩阵方程

AX=B 与 BY=AA X=B \text { 与 } B Y=A

同时有解 X=Km×s,Y=Ms×m\boldsymbol{X}=\boldsymbol{K}_{m \times s}, \boldsymbol{Y}=\boldsymbol{M}_{s \times m}

已知向量组 A:α1=(101),α2=(112),α3=(125)A: \boldsymbol{\alpha}_1=\left(\begin{array}{c}1 \\ 0 \\ -1\end{array}\right), \boldsymbol{\alpha}_2=\left(\begin{array}{l}-1 \\ 1 \\ 2\end{array}\right), \boldsymbol{\alpha}_3=\left(\begin{array}{l}1 \\ 2 \\ 5\end{array}\right)B:β1=(110),β2=(011),β3=(101)B: \boldsymbol{\beta}_1=\left(\begin{array}{l}1 \\ 1 \\ 0\end{array}\right), \boldsymbol{\beta}_2=\left(\begin{array}{l}0 \\ 1 \\ 1\end{array}\right), \boldsymbol{\beta}_3=\left(\begin{array}{l}1 \\ 0 \\ 1\end{array}\right), 证明: 向量组 A:α1,α2,α3A: \alpha_1, \alpha_2, \alpha_3 和向量组 B:β1,β2,β3B: \beta_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3 等价.

分析:假设BB 可由 AA表示,不妨设表示系数分别是kk,即

(110)=β1=k11(101)+k12(112)+k13(125)\left(\begin{array}{l}1 \\ 1 \\ 0\end{array}\right)=\boldsymbol{\beta}_1 =k_{11} \left(\begin{array}{c}1 \\ 0 \\ -1\end{array}\right) + k_{12} \left(\begin{array}{l}-1 \\ 1 \\ 2\end{array}\right) + k_{13} \left(\begin{array}{l}1 \\ 2 \\ 5\end{array}\right)
(011)=β2=k21(101)+k22(112)+k23(125)\left(\begin{array}{l}0 \\ 1 \\ 1\end{array}\right)=\boldsymbol{\beta}_2=k_{21} \left(\begin{array}{c}1 \\ 0 \\ -1\end{array}\right) + k_{22} \left(\begin{array}{l}-1 \\ 1 \\ 2\end{array}\right) + k_{23} \left(\begin{array}{l}1 \\ 2 \\ 5\end{array}\right)
(101)=β3=k31(101)+k32(112)+k33(125)\left(\begin{array}{l}1 \\ 0 \\ 1\end{array}\right)=\boldsymbol{\beta}_3 =k_{31} \left(\begin{array}{c}1 \\ 0 \\ -1\end{array}\right) + k_{32} \left(\begin{array}{l}-1 \\ 1 \\ 2\end{array}\right) + k_{33} \left(\begin{array}{l}1 \\ 2 \\ 5\end{array}\right)

上面可以表示为

(α1,α2,α3)(k11k21k31k12k22k32k13k23k33)=(β1,β2,β3)(\boldsymbol{\alpha_1},\boldsymbol{\alpha_2},\boldsymbol{\alpha_3}) \left(\begin{array}{l} k_{11} \quad k_{21} \quad k_{31} \\ k_{12} \quad k_{22} \quad k_{32} \\ k_{13} \quad k_{23} \quad k_{33} \\ \end{array}\right) = (\boldsymbol{\beta_1},\boldsymbol{\beta_2},\boldsymbol{\beta_3})

令矩阵 A=(α1,α2,α3)B=(β1,β2,β3)A=\left(\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \boldsymbol{\alpha}_3\right) , B=\left(\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3\right) , 则上面的3个方程可以表示为 AK=BA \boldsymbol{K}=\boldsymbol{B}

K=A1BK=A^{-1}B

因为我们要判断能否线性表示只要看方程有没有解即可,无需具体求出KK来,因此,只要判断矩阵的秩和增广矩阵的秩是否相等即可。点击查看矩阵的秩与方程的解 的关系,但是作为例题,我们这里把具体的表达式求出来。

证明: 在上面使用AK=BAK=B,即向量组B可由向量组A表示,但是,我们发现BB向量组更容易化简为单位矩阵,所以改成 BX=ABX=A方式,即向量组A可由向量组B表示。

对于BX=ABX=A 就是利用逆矩阵解方程组,左乘B1B^{-1}X=B1AX=B^{-1}A ,详细解释参考 逆矩阵解方程组

通过上面分析可以知道,要判断向量组等价,只要把两个向量组直接排列成增广矩阵,然后进行行初等变换,左边矩阵化为单位矩阵,然后判断矩阵的秩

(β1,β2,β3α1,α2,α3)=(101111110012011125)(100111010123001002),\left(\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3 \mid \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \boldsymbol{\alpha}_3\right)=\left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & -1 & 2 & 5 \end{array}\right) \to \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 0 & 1 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 2 \end{array}\right),

上面左边已经是单位矩阵,则右侧是方程的解。 矩阵方程 BX=AB X=A 有解 X=(111123002)\boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}1 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 2\end{array}\right) ,因此,向量组 AA 能由向量组 BB 线性表示. 另一方面,由于

111123002=111012002=20\left|\begin{array}{ccc} 1 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 2 \end{array}\right|=\left|\begin{array}{ccc} 1 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 2 \end{array}\right|=2 \neq 0

所以矩阵 (111123002)\left(\begin{array}{ccc}1 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 2\end{array}\right) 可逆,于是有 A(111123002)1=B\boldsymbol{A}\left(\begin{array}{ccc}1 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 2\end{array}\right)^{-1}=\boldsymbol{B}

即向量组 BB 能由向量组 AA 线性表示,所以这两个向量组等价.

如果仅证明向量组等价,还可以只用矩阵秩的方法进行判断,详见向量组等价的几何意义

例题

已知向量组 A:α1=(111),α2=(201)A: \boldsymbol{\alpha}_1=\left(\begin{array}{l}1 \\ 1 \\ -1\end{array}\right), \boldsymbol{\alpha}_2=\left(\begin{array}{c}-2 \\ 0 \\ 1\end{array}\right)B:β1=(312),β2=(311)β3=(110)B: \beta_1=\left(\begin{array}{c}3 \\ 1 \\ -2\end{array}\right), \boldsymbol{\beta}_2=\left(\begin{array}{l}-3 \\ 1 \\ 1\end{array}\right) \cdot \boldsymbol{\beta}_3=\left(\begin{array}{l}-1 \\ 1 \\ 0\end{array}\right), 证明:向量组 B:β1,β2,β3B: \boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3 可由向量组 A:α1,α2A: \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2 线性表示.

分析:

定理 要判断向量组A可以由向量组B表示或者向量组B可由向量组A表示只要判断R(A)=R(B)R(A)=R(B)即可 要判断向量组A可以由向量组B表示并且向量组B可由向量组A表示(即A,B等价)要求R(A)=R(B)=R(AB)R(A)=R(B)=R(A|B) 推导见 详见 向量组等价的几何意义

证明 令矩阵 A=(α1,α2)B=(β1,β2,β3)A=\left(\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2\right) , B=\left(\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3\right)

现在把ABAB组成一个新矩阵,然后做初等行变换(注意:此处只能做行变化),然后化为行最简形矩阵,判断矩阵的秩是否相等。

(α1,α2β1,β2,β3)=(123311011111210)(101110112100000),\left(\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2 \mid \boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_3\right)=\left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & -2 & 3 & -3 & -1 \\ 1 & 0 & 1 & 1 & 1 \\ -1 & 1 & -2 & 1 & 0 \end{array}\right) \sim \left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right),

可见BB能够被AA表示且 β1=α1α2\beta_1=\alpha_1 - \alpha_2 β2=α1+2α2\beta_2=\alpha_1 +2 \alpha_2 β3=α1+α2\beta_3=\alpha_1 + \alpha_2

图片

如果你仔细看表达的系数恰好是矩阵右侧列向量的值,这不是偶然的,这是因为,向量组B可由向量组A表示就是解矩阵方程 B=AXB=AX,左乘A1A^{-1} 就得到 X=A1BX=A^{-1}B , 在 逆矩阵求解方程组 里说过,要求XX 只要把 (AB)(A|B) 合并,然后把AA化为EE,则右侧就是XX的值,因此,方程组AX=BAX=B的解就是

X=(111121000)X=\left(\begin{array}{ccc} & 1 & 1 & 1 \\ & -1 & 2 & 1 \\ & 0 & 0 & 0 \end{array}\right)

AX=BAX=B都写成列向量形式就是

(α1,α2,α3)(111121000)=(β1,β2,β3)(\boldsymbol{\alpha_1}, \boldsymbol{\alpha_2},\boldsymbol{\alpha_3}) \left(\begin{array}{ccc} & 1 & 1 & 1 \\ & -1 & 2 & 1 \\ & 0 & 0 & 0 \end{array}\right)= (\boldsymbol{\beta_1}, \boldsymbol{\beta_2},\boldsymbol{\beta_3})

展开就得到上图结果,即

β1=α1α2β2=α1+2α2β3=α1+α2\begin{aligned} & \beta_1=\alpha_1-\alpha_2 \\ & \beta_2=\alpha_1+2 \alpha_2 \\ & \beta_3=\alpha_1+\alpha_2 \end{aligned}

已知 3 维向量空间 R3R^3 中两个向量

a1=(111),a2=(121)a_1=\left(\begin{array}{l} 1 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right), a_2=\left(\begin{array}{r} 1 \\ -2 \\ 1 \end{array}\right)

正交,试求一个非零向量 a3a_3 ,使 a1,a2,a3a_1, a_2, a_3 两两正交。

解 : 设所求向量为

a3=(x1x2x3)a_3=\left(\begin{array}{r} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right)

根据 向量内积 当垂直时,点积为零。所以

a1a3=(111)(x1x2x3)=0展开为x1+x2+x3=0...a_1 \cdot a_3= \left(\begin{array}{r} 1 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right) \left(\begin{array}{r} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right)=0 \text{展开为} x_1+x_2+x_3=0 ...①
a2a3=(121)(x1x2x3)=0展开为x1+2x2+x3=0...a_2 \cdot a_3= \left(\begin{array}{r} 1 \\ -2 \\ 1 \end{array}\right) \left(\begin{array}{r} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right)=0 \text{展开为} x_1+-2x_2+x_3=0 ...②

有①② 可以组成一个方程组

{x1+x2+x3=0x1+2x2+x3=0\left\{\begin{array}{r} x_1+x_2+x_3=0 \\ x_1+-2x_2+x_3=0 \end{array}\right.

把方程写成矩阵相乘的形式,即

A=(111121),X=(x1x2x3)A = \left(\begin{array}{rrr} 1 & 1 & 1 \\ 1 & -2 & 1 \end{array}\right), X=\left(\begin{array}{rrr} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right)

于是有

(111121)(x1x2x3)=(00)\left(\begin{array}{rrr} 1 & 1 & 1 \\ 1 & -2 & 1 \end{array}\right)\left(\begin{array}{l} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right)=\binom{0}{0}

把A化为最简形矩阵

A(111030)(101010)A \sim\left(\begin{array}{rrr} 1 & 1 & 1 \\ 0 & -3 & 0 \end{array}\right) \sim\left(\begin{array}{lll} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \end{array}\right)

如果把上面矩阵还原为方程组就是

x1+x3=0x2=0\begin{array}{l} x_1+x_3=0 \\ x_2=0 \end{array}

{x1=x3x2=0\left\{\begin{array}{l}x_1=-x_3 \\ x_2=0\end{array}\right.

x3x_3可以任意取非零的数,一般我们取1,从而有基础解系 (101)\left(\begin{array}{r}-1 \\ 0 \\ 1\end{array}\right) .取 a3=(101)a _3=\left(\begin{array}{r}-1 \\ 0 \\ 1\end{array}\right) 即为所求.

提示1:上面的解法可以参考 齐次方程的基础解系

提示2:后续如果熟悉的话,可以直接写出矩阵A为

A=(a1Ta2T)=(111121),A =\binom{ a _1^{T}}{ a _2^{T}}=\left(\begin{array}{rrr} 1 & 1 & 1 \\ 1 & -2 & 1 \end{array}\right),

(考研训练)求常数 aa 的值,使 α1=[1,1,a]T,α2=[1,a,1]T,α3=[a,1,1]T\alpha _1=[1,1, a]^{ T }, \alpha _2=[1, a, 1]^{ T }, \alpha _3=[a, 1,1]^{ T } 能由 β1=[1,1,a],β2=[2,a,4],β3=[2,a,a]\beta _1=[1,1, a]^{\top}, \beta _2=[-2, a, 4]^{\top}, \beta _3=[-2, a, a]^{\top} 线性表示,但 β1,β2,β3\beta _1, \beta _2, \beta _3 不能由 α1,α2,α3\alpha _1, \alpha _2, \alpha _3 线性表示。

【解】 α1,α2,α3\alpha _1, \alpha _2, \alpha _3 能由 β1,β2,β3\beta _1, \beta _2, \beta _3 线性表示,则 r(α1,α2,α3)r(β1,β2,β3)r\left( \alpha _1, \alpha _2, \alpha _3\right) \leqslant r\left( \beta _1, \beta _2, \beta _3\right) .又 β1,β2,β3\beta _1, \beta _2, \beta _3不能由 α1,α2,α3\alpha _1, \alpha _2, \alpha _3 线性表示,故 r(α1,α2,α3)<r(β1,β2,β3)r\left( \alpha _1, \alpha _2, \alpha _3\right)<r\left( \beta _1, \beta _2, \beta _3\right) ,而 r(β1,β2,β3)3r\left( \beta _1, \beta _2, \beta _3\right) \leqslant 3 ,于是 r(α1r\left( \alpha _1\right.α2,α3)<3\left.\alpha _2, \alpha _3\right)<3 ,从而 α1,α2,α3=0\left| \alpha _1, \alpha _2, \alpha _3\right|=0 ,解得 a=1a=1a=2a=-2

a=1a=1 时, α1=α2=α3=β1=[1,1,1]\alpha _1= \alpha _2= \alpha _3= \beta _1=[1,1,1]^{\top} ,显然 α1,α2,α3\alpha _1, \alpha _2, \alpha _3 可由 β1,β2,β3\beta _1, \beta _2, \beta _3 线性表示,而此时 β2=\beta _2= [2,1,4][-2,1,4]^{\top} 不能由 a1,a2,a3a _1, a _2, a _3 线性表示,即 a=1a=1 符合题意.

a=2a=-2 时,有

[122112122121242211][122112006033000033]\left[\begin{array}{ccc:ccc} 1 & -2 & -2 & 1 & 1 & -2 \\ 1 & -2 & -2 & 1 & -2 & 1 \\ -2 & 4 & -2 & -2 & 1 & 1 \end{array}\right] \sim \left[\begin{array}{ccc:ccc} 1 & -2 & -2 & 1 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & -6 & 0 & 3 & -3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & -3 & 3 \end{array}\right]

可知 r(β1,β2,β3)=2r\left( \beta _1, \beta _2, \beta _3\right)=2 ,而 r([β1,β2,β3,α2])=3r\left(\left[ \beta _1, \beta _2, \beta _3, \alpha _2\right]\right)=3 ,故 a2a _2 不能由向量组 β1,β2,β3\beta _1, \beta _2, \beta _3 线性表示,所以 a=2a=-2 不符合题意.

综上所述,a=1a=1

向量组等价的性质

向量组间的等价具有: (1)反身性.即每个向量组与它自身等价. (2)对称性.即若向量组(I) α1,α2,,α\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha} 与向量组(II) β1,β2,,β\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \cdots, \boldsymbol{\beta} ,等价,则向量组(II)与(I)等价. (3)传递性.即若向量组(I) α1,α2,,αs\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \cdots, \boldsymbol{\alpha}_s 与向量组 ( II ) β1,β2,,β1\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \cdots, \boldsymbol{\beta}_1 等价,而向量组( II ) β1,β2,,β1\boldsymbol{\beta}_1, \boldsymbol{\beta}_2, \cdots, \boldsymbol{\beta}_1 与向量组(III)γ1,γ2,,γ\gamma_1, \gamma_2, \cdots, \gamma_{\text {r }} 等价,则向量组(I)与向量组(III)也等价.

证明:略。

由传递性可见,向量组的线性表示是有传递性的,即若向量组 (I)可由向量组(II)线性表示,向量组(II)可由向量组(III)线性表示,则向量组( I )也可由向量组(III)线性表示.

常见问答

问:两个矩阵的等价与两个向量组的等价有什么区别和联系? 答 矩阵 AABB 等价指的是 AA 可以通过有限次初等变换变成 BB ,因此,两个不同型的矩阵是不可能等价的;两向量组的等价指的是它们能够相互线性表示, 于是, 它们各自所含向量的个数可能是不一样的. 例如二维向量组 A:α=A: \alpha = (11)\binom{1}{1} 与二维向量组 B:{β=k(11)kR}B:\left\{\left. \beta =k\binom{1}{1} \right\rvert\, k \in R \right\} 是等价的。但前者只含一个向量;而后者含有无限多个向量。

两矩阵的等价与两向量组的等价两者的联系在于: (1) 若矩阵 AA 经初等行变换变成 BB, 即 AABB 行等价, 则 AABB 的行向量组等价; 若 AA 经初等列变换变成 CC, 即 AACC 列等价, 则 AACC 的列向量组等价;若 AA 既经初等行变换又经初等列变换变成 DD ,那么矩阵 AADD 等价,但 AADD 的行向量组与列向量组末必等价。 (2) 反过来, 设两列向量组等价. 若它们所含向量个数不相同, 则它们对应的两个矩阵是不同型的,因而不等价;若它们所 \oplus 含向量个数相同(例如都含有 mm 个), 那么它们对应的两个 n×mn \times m 矩阵(这里 nn 为向量的维数)列等价,从而一定等价,但不一定行等价。例如

向量组 A:(12),(24)A:\binom{1}{2},\binom{2}{4} 与向量组 B:(12),(00)B:\binom{1}{2},\binom{0}{0} 等价, 它们对应的矩阵 A=A= (1224)\left(\begin{array}{ll}1 & 2 \\ 2 & 4\end{array}\right)B=(1020)B =\left(\begin{array}{ll}1 & 0 \\ 2 & 0\end{array}\right) 列等价, 从而 AABB 等价, 但非行等价.

类似地, 若两个含向量个数相同的行向量组等价, 则它们对应的两矩阵行等价, 从而一定等价, 但不一定列等价.

在同阶矩阵下,上面的结论大致可用下图表示 图片{width=300px}

如果把矩阵等价看成是图中的整个大框,大框里面有两个小框,这两个小框分别对应矩阵行等价和列等价,如图中标示的那样;这两个小框之间还有交叠部分,这部分可以理解为两矩阵既可以行等价也可以列等价。换句话说也就是两个矩阵等价的情况,可以是行等价而列不等价;也可以是列等价但是行不等价;还有可能行和列都等价。

矩阵等价的要求是:同一维度就可以了。比如三维矩阵你只要都映射到二维,我们就说矩阵等价。向量组等价的要求是:必须是同一维度的同一空间。比如三维映射到二维就必须映射到同一个平面上。一个映射到 xOz,一个映射到xOy ,我们不说你等价。