20._矩阵的初等变换_理论部分_与逆矩阵求法

矩阵的初等变换(理论证明)

这一节我们介绍一种求逆矩阵的方法,即初等变换的方法.对矩阵的行(列)进行下列三种变换,即矩阵的初等变换(elementary operations): (1)对换变换——交换矩阵的两行(列)。 (2)数乘变换——将某行(列)全体元素都乘以某一非零常数。 (3)倍加变换——把某行(列)用该行(列)与另一行(列)的常数倍的和替换,也就是把另一行(列)的常数倍加到某行(列)上。

nn 阶单位矩阵 E\boldsymbol{E} 分别进行一次上述三种初等变换之一后,所得的矩阵称为初等矩阵.相应的三种初等矩阵分别是: (1)互换 E\boldsymbol{E}i,ji, j 两行(两列)所得的初等矩阵——第一类初等矩阵。

图片{width=400px}

(2)用 λ(λ0)\lambda(\lambda \neq 0)E\boldsymbol{E} 的第 ii 行(列)所得的初等矩阵——第二类初等矩阵。

图片{width=400px}

(3)将 E\boldsymbol{E}jj 行( ii 列)的 γ\gamma 倍加到 ii 行( jj 列)上去 (ij)(i \neq j) 所得的初等矩阵——第三类初等矩阵。 图片{width=400px}

引理 对矩阵左乘相当于是行变换,对矩阵右乘相当于是列变换

证明 仅以第三种初等行变换为例进行验证. 图片{width=500px}

等式右端恰为对 A\boldsymbol{A} 施行第三种初等行变换之结果。 这里把矩阵的初等变换归结为用某些初等矩阵左乘或右乘该矩阵,这对于简化矩阵乘法运算及研讨矩阵的某些性质都很有用。例如,利用引理很易推出初等矩阵的逆矩阵分别为

(P(i,j))1=P(i,j)(P(i(λ)))1=P(i(1λ))(λ0)(P(i,j(γ)))1=P(i,j(γ))\begin{aligned} & (\boldsymbol{P}(i, j))^{-1}=\boldsymbol{P}(i, j) \\ & (\boldsymbol{P}(i(\lambda)))^{-1}=\boldsymbol{P}\left(i\left(\frac{1}{\lambda}\right)\right) \quad(\lambda \neq 0) \\ & (\boldsymbol{P}(i, j(\gamma)))^{-1}=\boldsymbol{P}(i, j(-\gamma)) \end{aligned}

矩阵可逆的等价条件

定理 设 A\boldsymbol{A} 为一个 nn 阶方阵,则下列命题等价: (1) A\boldsymbol{A} 可逆. (2) Ax=0\boldsymbol{A} \boldsymbol{x}=\mathbf{0} 只有零解. (3) A\boldsymbol{A}nn 阶单位矩阵 E\boldsymbol{E} 行等价,即 A\boldsymbol{A} 可经有限次初等行变换化为 E\boldsymbol{E}

证明 我们首先证明(1)可推出(2).若 A\boldsymbol{A} 可逆,且 x\boldsymbol{x}Ax=0\boldsymbol{A} \boldsymbol{x}=\mathbf{0} 的一个解,则

x=Ex=(A1A)x=A1(Ax)=A10=0\boldsymbol{x}=\boldsymbol{E} \boldsymbol{x}=\left(\boldsymbol{A}^{-1} \boldsymbol{A}\right) \boldsymbol{x}=\boldsymbol{A}^{-1}(\boldsymbol{A} \boldsymbol{x})=\boldsymbol{A}^{-1} \mathbf{0}=\mathbf{0}

因此 Ax=0\boldsymbol{A x}=\mathbf{0} 只有零解. 然后证明(2)可推出(3). Ax=0\boldsymbol{A x}=\mathbf{0} 只有零解,由推论1.2.1可知, A\boldsymbol{A} 的主元列数等于未知量个数 nn ,这 nn 个主元位置一定在对角线上.这就表明 A\boldsymbol{A} 的行最简形是 nn 阶单位矩阵 E\boldsymbol{E} ,即 A\boldsymbol{A} 可经过有限次初等行变换化为单位矩阵 E,A\boldsymbol{E}, \boldsymbol{A}E\boldsymbol{E} 行等价。

最后证明(3)可推出(1)。假设 A\boldsymbol{A} 与单位阵 E\boldsymbol{E} 行等价。因为 A\boldsymbol{A} 的行化简的每一步都对应着左乘以一个相应的初等矩阵,所以存在初等矩阵 P1,P2,,Pk\boldsymbol{P}_1, \boldsymbol{P}_2, \cdots, \boldsymbol{P}_k ,使得

PkPk1P1A=E...(2.3.2)\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \boldsymbol{A}=\boldsymbol{E} ...(2.3.2)

因为可逆矩阵的乘积 PkPk1P1\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 是可逆的,在式(2.3.2)两端左乘以( PkPk1P1)1\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \left.\boldsymbol{P}_1\right)^{-1} ,得

(PkPk1P1)1(PkPk1P1)A=(PkPk1P1)1E,\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right)^{-1}\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right) \boldsymbol{A}=\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right)^{-1} \boldsymbol{E},

A=(PkPk1P1)1\boldsymbol{A}=\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right)^{-1}

因此 A\boldsymbol{A} 是一个可逆矩阵的逆,从而 A\boldsymbol{A} 是可逆的. 由于初等矩阵的逆矩阵仍为初等矩阵,可逆阵的乘积矩阵仍可逆,由等式(2.3.2)和推论 1.2.1 知,有下述的结果.

推论 2.3.2 下列命题等价: (1)方阵 A\boldsymbol{A} 可逆. (2) A\boldsymbol{A} 必可表为若干个初等矩阵的乘积. (3) A\boldsymbol{A} 的主元列数为 nn

推论2.3.2 下列命题等价: (1)方阵 A\boldsymbol{A} 可逆. (2) A\boldsymbol{A} 必可表为若干个初等矩阵的乘积. (3) A\boldsymbol{A} 的主元列数为 nn

推论2.3.3 若 nn 阶方阵 A\boldsymbol{A}B\boldsymbol{B} 行等价,则 A\boldsymbol{A} 可逆的充要条件是 B\boldsymbol{B} 可逆.

从上面的证明过程中我们可以得到 A\boldsymbol{A} 的逆阵 A1\boldsymbol{A}^{-1}

A1=[(PkPk1P1)1]1=PkPk1P1=PkPk1P1E.\begin{aligned} \boldsymbol{A}^{-1} & =\left[\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right)^{-1}\right]^{-1} \\ & =\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \\ & =\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \boldsymbol{E} . \end{aligned}

这说明 A1\boldsymbol{A}^{-1} 是由 PkPk1P1\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 连续作用到 nn 阶单位矩阵 E\boldsymbol{E} 上得到的。该序列与化简 A\boldsymbol{A} 为单位阵的序列相同.

PkPk1P1A=E...(2.3.3)PkPk1P1E=A1...(2.3.4)\begin{gathered} \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \boldsymbol{A}=\boldsymbol{E} ...(2.3.3)\\ \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \boldsymbol{E}=\boldsymbol{A}^{-1} ...(2.3.4) \end{gathered}

比较(2.3.3)和(2.3.4)可知,若对 A\boldsymbol{A}E\boldsymbol{E} 进行完全相同的一系列初等行变换,则当 A\boldsymbol{A} 化成单位矩阵 E\boldsymbol{E} 时,原来的单位矩阵 E\boldsymbol{E} 就被化成了 A\boldsymbol{A} 的逆矩阵 A1\boldsymbol{A}^{-1} .从而可这样来求 A\boldsymbol{A} 的逆矩阵:先作 n×2nn \times 2 n 矩阵 (AE)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{E}) ,并对它进行初等行变换,使 A\boldsymbol{A} 化为单位矩阵,则 E\boldsymbol{E} 相应地就化为了 A1\boldsymbol{A}^{-1}

初等矩阵

nn 阶单位矩阵 E\boldsymbol{E} 实施一次初等变换得到的矩阵称为 nn 阶初等矩阵. 根据上面性质9,矩阵可以通过一系列基本行或列操作彼此变换,从而保持它们的等价性。

A=(aij)A=\left(a_{i j}\right) 是一个三阶方阵,试求一个 3 阶可逆矩阵 P\boldsymbol{P} ,使得

PA=(a11a12a13a31+ka11a32+ka12a33+ka13a21a22a23).\boldsymbol{P A}=\left(\begin{array}{ccc} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{31}+k a_{11} & a_{32}+k a_{12} & a_{33}+k a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \end{array}\right) .

解:矩阵 PAP A 可看成是先对矩阵 A=(av)A=\left(a_v\right) 实施一次交换矩阵 AA 的第 2 行和第 3 行的变换, 再实施一次矩阵 AA 的第1行乘以数 kk 加到第 2 行的变换所得到的. 这相当于先后用初等矩阵 E(2,3)=(100001010)E((k),2)=(100k10001)E(2,3)=\left(\begin{array}{lll}1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0\end{array}\right) 、 E((k), 2)=\left(\begin{array}{lll}1 & 0 & 0 \\ k & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1\end{array}\right) 左乘矩阵 A\boldsymbol{A} ,即 PA=E(1(k),2)E(2,3)AP A=E(1(k), 2) E(2,3) A , 所以

P=E(1(k),2)E(2,3)=(100k10001)(100001010)=(100k01010).P=E(1(k), 2) E(2,3)=\left(\begin{array}{lll} 1 & 0 & 0 \\ k & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right)\left(\begin{array}{lll} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{lll} 1 & 0 & 0 \\ k & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \end{array}\right) .

另外,矩阵 PAP A 也可看成是先对矩阵 A=(aj)A=\left(a_j\right) 实施一次矩阵 AA 的第1行乘以数 kk 加到第 3 行的变换,再实施一次交换矩阵 AA 的第 2 行和第 3 行的变换所得到的. 即 PA=E(2,3)E(1(k),3)A\boldsymbol{P A}=\boldsymbol{E}(2,3) \boldsymbol{E}(1(k), 3) \boldsymbol{A}

利用初等变换求解矩阵的逆矩阵

把一个矩阵和单位矩阵进行合并,然后进行行变换,左边化为单位矩阵,右边就是矩阵的逆,即

(AE) 初等行变换 (EA1)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{E}) \xrightarrow{\text { 初等行变换 }}\left(\boldsymbol{E} \mid \boldsymbol{A}^{-1}\right)

求逆矩阵

(112211369)\left(\begin{array}{ccc} 1 & 1 & -2 \\ 2 & -1 & -1 \\ 3 & 6 & -9 \end{array}\right)

解:

(112100211010369001)\left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 1 & -2 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & -1 & -1 & 0 & 1 & 0 \\ 3 & 6 & -9 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right)
(112100033210033301)\sim \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 1 & -2 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -3 & 3 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 3 & -3 & -3 & 0 & 1 \end{array}\right)
(112100033210000511)\sim \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 1 & -2 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -3 & 3 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -5 & 1 & 1 \end{array}\right)

由于最后一行左侧全是0,所以矩阵不可逆。

求逆矩阵

(111123136)\left(\begin{array}{lll} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 6 \end{array}\right)

解:

(111100123010136001)\left(\begin{array}{lll|lll} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 3 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 3 & 6 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right)
(111100012110001121)\sim \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 1 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 2 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & -2 & 1 \end{array}\right)
(100331010352001121)\sim \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 0 & 3 & -3 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -3 & 5 & -2 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & -2 & 1 \end{array}\right)

所以矩阵可逆,且逆矩阵为

A1=(331352121)A^{-1}=\left(\begin{array}{ccc} 3 & -3 & 1 \\ -3 & 5 & -2 \\ 1 & -2 & 1 \end{array}\right)

利用逆矩阵解方程

利用逆矩阵还可以求解矩阵方程 AX=B①A X=B XA=B②X A=B AXB=C③A X B=C.

具体求解为

①若矩阵 AA 可逆,则有

A1(AX)=A1B(A1A)X=A1BX=A1B.A^{-1}(A X)=A^{-1} B \Rightarrow\left(A^{-1} A\right) X=A^{-1} B \Rightarrow X=A^{-1} B .

②若矩阵 AA 可逆,则有

(XA)A1=BA1X(AA1)=BA1X=BA1.(\mathrm{X} A) A^{-1}=B A^{-1} \Rightarrow X\left(A A^{-1}\right)=B A^{-1} \Rightarrow X=B A^{-1} .

③若矩阵 ABA 、 B 可逆均可逆,则有

A1(AXB)B1=A1CB1(A1A)X(BB1)=A1CB1X=A1CB1.A^{-1}(A X B) B^{-1}=A^{-1} C B^{-1} \Rightarrow\left(A^{-1} A\right) X\left(B B^{-1}\right)=A^{-1} C B^{-1} \Rightarrow X=A^{-1} C B^{-1} .

所以,可以用初等行变换的方法解矩阵方程.

解方程步骤

①首先构造分块矩阵 (AB)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) ②对矩阵 (AB)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) 实施初等行变换,将 (AB)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) 化为行最简形矩阵; ③若 A\boldsymbol{A} 能行等价于 E\boldsymbol{E} ,则 A\boldsymbol{A} 可逆,且 B\boldsymbol{B} 就变成了 X=A1B\boldsymbol{X}=\boldsymbol{A}^{-1} \boldsymbol{B}

解方程

(1427)X=(213102)\left(\begin{array}{ll} -1 & 4 \\ -2 & 7 \end{array}\right) \boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc} 2 & -1 & 3 \\ 1 & 0 & -2 \end{array}\right)

解:

(1421327102)\left(\begin{array}{cc|ccc} -1 & 4 & 2 & -1 & 3 \\ -2 & 7 & 1 & 0 & -2 \end{array}\right)
(1421301328)\sim \rightarrow\left(\begin{array}{ll|lll} 1 & -4 & -2 & 1 & -3 \\ 0 & -1 & -3 & 2 & -8 \end{array}\right)
(101072901328)\sim \left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & 0 & 10 & -7 & 29 \\ 0 & 1 & 3 & -2 & 8 \end{array}\right)

所以方程的解为

X=(10729328)\boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc} 10 & -7 & 29 \\ 3 & -2 & 8 \end{array}\right)

解方程

X(102021215)=(110121)\boldsymbol{X}\left(\begin{array}{ccc} 1 & 0 & -2 \\ 0 & -2 & 1 \\ -2 & -1 & 5 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc} -1 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & -1 \end{array}\right)

对于方程 XA=BX A=B ,可以先用初等行变换求解方程 ATXT=BT A^{\mathrm{T}} X^{\mathrm{T}}=B^{\mathrm{T}},再转置求出X X

解:

(ATBT)=(102110211221501)\left(\boldsymbol{A}^{\mathrm{T}} \mid \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}}\right)=\left(\begin{array}{ccc|cc} 1 & 0 & -2 & -1 & 1 \\ 0 & -2 & -1 & 1 & 2 \\ -2 & 1 & 5 & 0 & -1 \end{array}\right)
(102110211201121)\sim \left(\begin{array}{ccc|cc} 1 & 0 & -2 & -1 & 1 \\ 0 & -2 & -1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & -2 & 1 \end{array}\right)
(102110112100134)\sim \left(\begin{array}{ccc|cc} 1 & 0 & -2 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & -2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & 4 \end{array}\right)
(100790101300134)\sim \left(\begin{array}{ccc|cc} 1 & 0 & 0 & -7 & 9 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & -3 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & 4 \end{array}\right)

所以 XT=(791334)\boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\left(\begin{array}{cc}-7 & 9 \\ 1 & -3 \\ -3 & 4\end{array}\right) \quad 从而 X=(713934)\boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}-7 & 1 & -3 \\ 9 & -3 & 4\end{array}\right)

解方程

(1112)X(110011102)=(110101)\left(\begin{array}{cc} 1 & 1 \\ -1 & -2 \end{array}\right) \boldsymbol{X}\left(\begin{array}{ccc} -1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & -1 \\ 1 & 0 & -2 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc} 1 & -1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \end{array}\right)

解:此题是 AXB=C\boldsymbol{A} \boldsymbol{X B}=\boldsymbol{C} 类型的方程.令 XB=Y\boldsymbol{X B}=\boldsymbol{Y} ,先求解方程 AY=C\boldsymbol{A Y}=\boldsymbol{C} ,然后求解方程 BTXT=YT\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\boldsymbol{Y}^{\mathrm{T}} ,最后转置求出 X\boldsymbol{X}

(AC)=(1111012101)r2+r1(1111001011)(1)r2r1+r2(1012101011)(\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{C})=\left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & 1 & 1 & -1 & 0 \\ -1 & -2 & -1 & 0 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_2+r_1}\left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & 1 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & -1 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow[(-1) r_2]{r_1+r_2}\left(\begin{array}{cc|ccc} 1 & 0 & 1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 1 & -1 \end{array}\right)

于是得 Y=(121011)\boldsymbol{Y}=\left(\begin{array}{ccc}1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & -1\end{array}\right) .再由

(BTYT)=(101101102101211)r2+r1(101100111101211)(1)hr3+r2(101100111100100)r2+(1)rnr2(1)r5(1)rn(100100101100100)\left(\boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \mid \boldsymbol{Y}^{\mathrm{T}}\right)=\left(\begin{array}{ccc|cc} -1 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & -2 & 1 \\ 0 & -1 & -2 & 1 & -1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_2+r_1}\left(\begin{array}{ccc|cc} -1 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & -1 & -2 & 1 & -1 \end{array}\right) \xrightarrow[(-1) h]{r_3+r_2}\left(\begin{array}{ccc|cc} -1 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{array}\right) \xrightarrow[r_2+(-1) r_n]{\substack{r_2(-1) r_5 \\ (-1) r_n}}\left(\begin{array}{ccc|cc} 1 & 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \end{array}\right)

可知 XT=(101100)\boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\left(\begin{array}{cc}-1 & 0 \\ -1 & 1 \\ 0 & 0\end{array}\right) ,从而 X=(110010)\boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}-1 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0\end{array}\right)