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。
对 n n n 阶单位矩阵 E \boldsymbol{E} 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} E 的 i , j i, j i , j 两行(两列)所得的初等矩阵——第一类初等矩阵。
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(2)用 λ ( λ ≠ 0 ) \lambda(\lambda \neq 0) λ ( λ = 0 ) 乘 E \boldsymbol{E} E 的第 i i i 行(列)所得的初等矩阵——第二类初等矩阵。
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(3)将 E \boldsymbol{E} E 的 j j j 行( i i i 列)的 γ \gamma γ 倍加到 i i i 行( j j j 列)上去 ( i ≠ j ) (i \neq j) ( i = j ) 所得的初等矩阵——第三类初等矩阵。
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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.
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等式右端恰为对 A \boldsymbol{A} 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 ( 1 λ ) ) ( λ ≠ 0 ) ( 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} ( P ( i , j ) ) − 1 = P ( i , j ) ( P ( i ( λ )) ) − 1 = P ( i ( λ 1 ) ) ( λ = 0 ) ( P ( i , j ( γ )) ) − 1 = P ( i , j ( − γ )) 矩阵可逆的等价条件 定理 设 A \boldsymbol{A} A 为一个 n n n 阶方阵,则下列命题等价:
(1) A \boldsymbol{A} A 可逆.
(2) A x = 0 \boldsymbol{A} \boldsymbol{x}=\mathbf{0} A x = 0 只有零解.
(3) A \boldsymbol{A} A 与 n n n 阶单位矩阵 E \boldsymbol{E} E 行等价,即 A \boldsymbol{A} A 可经有限次初等行变换化为 E \boldsymbol{E} E 。
证明 我们首先证明(1)可推出(2).若 A \boldsymbol{A} A 可逆,且 x \boldsymbol{x} x 是 A x = 0 \boldsymbol{A} \boldsymbol{x}=\mathbf{0} A x = 0 的一个解,则
x = E x = ( A − 1 A ) x = A − 1 ( A x ) = A − 1 0 = 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} x = E x = ( A − 1 A ) x = A − 1 ( A x ) = A − 1 0 = 0 因此 A x = 0 \boldsymbol{A x}=\mathbf{0} Ax = 0 只有零解.
然后证明(2)可推出(3). A x = 0 \boldsymbol{A x}=\mathbf{0} Ax = 0 只有零解,由推论1.2.1可知, A \boldsymbol{A} A 的主元列数等于未知量个数 n n n ,这 n n n 个主元位置一定在对角线上.这就表明 A \boldsymbol{A} A 的行最简形是 n n n 阶单位矩阵 E \boldsymbol{E} E ,即 A \boldsymbol{A} 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 , A 与 E \boldsymbol{E} E 行等价。
最后证明(3)可推出(1)。假设 A \boldsymbol{A} A 与单位阵 E \boldsymbol{E} E 行等价。因为 A \boldsymbol{A} 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 P 1 , P 2 , ⋯ , P k \boldsymbol{P}_1, \boldsymbol{P}_2, \cdots, \boldsymbol{P}_k P 1 , P 2 , ⋯ , P k ,使得
P k P k − 1 ⋯ P 1 A = E . . . ( 2.3.2 ) \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 \boldsymbol{A}=\boldsymbol{E} ...(2.3.2) P k P k − 1 ⋯ P 1 A = E ... ( 2.3.2 ) 因为可逆矩阵的乘积 P k P k − 1 ⋯ P 1 \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 P k P k − 1 ⋯ P 1 是可逆的,在式(2.3.2)两端左乘以( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \left.\boldsymbol{P}_1\right)^{-1} P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 ,得
即
( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) A = ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 E , \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}, ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) A = ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 E , 即
A = ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 \boldsymbol{A}=\left(\boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1\right)^{-1} A = ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 因此 A \boldsymbol{A} A 是一个可逆矩阵的逆,从而 A \boldsymbol{A} 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} A 可逆.
(2) A \boldsymbol{A} A 必可表为若干个初等矩阵的乘积.
(3) A \boldsymbol{A} A 的主元列数为 n n n .
推论2.3.2 下列命题等价:
(1)方阵 A \boldsymbol{A} A 可逆.
(2) A \boldsymbol{A} A 必可表为若干个初等矩阵的乘积.
(3) A \boldsymbol{A} A 的主元列数为 n n n .
推论2.3.3 若 n n n 阶方阵 A \boldsymbol{A} A 与 B \boldsymbol{B} B 行等价,则 A \boldsymbol{A} A 可逆的充要条件是 B \boldsymbol{B} B 可逆.
从上面的证明过程中我们可以得到 A \boldsymbol{A} A 的逆阵 A − 1 \boldsymbol{A}^{-1} A − 1 为
A − 1 = [ ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 ] − 1 = P k P k − 1 ⋯ P 1 = P k P k − 1 ⋯ P 1 E . \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} A − 1 = [ ( P k P k − 1 ⋯ P 1 ) − 1 ] − 1 = P k P k − 1 ⋯ P 1 = P k P k − 1 ⋯ P 1 E . 这说明 A − 1 \boldsymbol{A}^{-1} A − 1 是由 P k P k − 1 ⋯ P 1 \boldsymbol{P}_k \boldsymbol{P}_{k-1} \cdots \boldsymbol{P}_1 P k P k − 1 ⋯ P 1 连续作用到 n n n 阶单位矩阵 E \boldsymbol{E} E 上得到的。该序列与化简 A \boldsymbol{A} A 为单位阵的序列相同.
P k P k − 1 ⋯ P 1 A = E . . . ( 2.3.3 ) P k P k − 1 ⋯ P 1 E = A − 1 . . . ( 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} P k P k − 1 ⋯ P 1 A = E ... ( 2.3.3 ) P k P k − 1 ⋯ P 1 E = A − 1 ... ( 2.3.4 ) 比较(2.3.3)和(2.3.4)可知,若对 A \boldsymbol{A} A 和 E \boldsymbol{E} E 进行完全相同的一系列初等行变换,则当 A \boldsymbol{A} A 化成单位矩阵 E \boldsymbol{E} E 时,原来的单位矩阵 E \boldsymbol{E} E 就被化成了 A \boldsymbol{A} A 的逆矩阵 A − 1 \boldsymbol{A}^{-1} A − 1 .从而可这样来求 A \boldsymbol{A} A 的逆矩阵:先作 n × 2 n n \times 2 n n × 2 n 矩阵 ( A ∣ E ) (\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{E}) ( A ∣ E ) ,并对它进行初等行变换,使 A \boldsymbol{A} A 化为单位矩阵,则 E \boldsymbol{E} E 相应地就化为了 A − 1 \boldsymbol{A}^{-1} A − 1 .
初等矩阵 对 n n n 阶单位矩阵 E \boldsymbol{E} E 实施一次初等变换得到的矩阵称为 n n n 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。
例 设 A = ( a i j ) A=\left(a_{i j}\right) A = ( a ij ) 是一个三阶方阵,试求一个 3 阶可逆矩阵 P \boldsymbol{P} P ,使得
P A = ( 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 ) . \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) . PA = a 11 a 31 + k a 11 a 21 a 12 a 32 + k a 12 a 22 a 13 a 33 + k a 13 a 23 . 解:矩阵 P A P A P A 可看成是先对矩阵 A = ( a v ) A=\left(a_v\right) A = ( a v ) 实施一次交换矩阵 A A A 的第 2 行和第 3 行的变换,
再实施一次矩阵 A A A 的第1行乘以数 k k k 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 ) = ( 1 0 0 0 0 1 0 1 0 ) 、 E ( ( k ) , 2 ) = ( 1 0 0 k 1 0 0 0 1 ) 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) E ( 2 , 3 ) = 1 0 0 0 0 1 0 1 0 、 E (( k ) , 2 ) = 1 k 0 0 1 0 0 0 1 左乘矩阵 A \boldsymbol{A} A ,即 P A = E ( 1 ( k ) , 2 ) E ( 2 , 3 ) A , P A=E(1(k), 2) E(2,3) A , P A = E ( 1 ( k ) , 2 ) E ( 2 , 3 ) A ,
所以
P = E ( 1 ( k ) , 2 ) E ( 2 , 3 ) = ( 1 0 0 k 1 0 0 0 1 ) ( 1 0 0 0 0 1 0 1 0 ) = ( 1 0 0 k 0 1 0 1 0 ) . 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) . P = E ( 1 ( k ) , 2 ) E ( 2 , 3 ) = 1 k 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 = 1 k 0 0 0 1 0 1 0 . 另外,矩阵 P A P A P A 也可看成是先对矩阵 A = ( a j ) A=\left(a_j\right) A = ( a j ) 实施一次矩阵 A A A 的第1行乘以数 k k k 加到第 3 行的变换,再实施一次交换矩阵 A A A 的第 2 行和第 3 行的变换所得到的.
即 P A = E ( 2 , 3 ) E ( 1 ( k ) , 3 ) A \boldsymbol{P A}=\boldsymbol{E}(2,3) \boldsymbol{E}(1(k), 3) \boldsymbol{A} PA = E ( 2 , 3 ) E ( 1 ( k ) , 3 ) 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
( A ∣ E ) → 初等行变换 ( E ∣ A − 1 ) (\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{E}) \xrightarrow{\text { 初等行变换 }}\left(\boldsymbol{E} \mid \boldsymbol{A}^{-1}\right) ( A ∣ E ) 初等行变换 ( E ∣ A − 1 )
例 求逆矩阵
( 1 1 − 2 2 − 1 − 1 3 6 − 9 ) \left(\begin{array}{ccc}
1 & 1 & -2 \\
2 & -1 & -1 \\
3 & 6 & -9
\end{array}\right) 1 2 3 1 − 1 6 − 2 − 1 − 9 解:
( 1 1 − 2 1 0 0 2 − 1 − 1 0 1 0 3 6 − 9 0 0 1 ) \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) 1 2 3 1 − 1 6 − 2 − 1 − 9 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ∼ ( 1 1 − 2 1 0 0 0 − 3 3 − 2 1 0 0 3 − 3 − 3 0 1 ) \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) ∼ 1 0 0 1 − 3 3 − 2 3 − 3 1 − 2 − 3 0 1 0 0 0 1 ∼ ( 1 1 − 2 1 0 0 0 − 3 3 − 2 1 0 0 0 0 − 5 1 1 ) \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) ∼ 1 0 0 1 − 3 0 − 2 3 0 1 − 2 − 5 0 1 1 0 0 1 由于最后一行左侧全是0,所以矩阵不可逆。
例 求逆矩阵
( 1 1 1 1 2 3 1 3 6 ) \left(\begin{array}{lll}
1 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 3 \\
1 & 3 & 6
\end{array}\right) 1 1 1 1 2 3 1 3 6 解:
( 1 1 1 1 0 0 1 2 3 0 1 0 1 3 6 0 0 1 ) \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) 1 1 1 1 2 3 1 3 6 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ∼ ( 1 1 1 1 0 0 0 1 2 − 1 1 0 0 0 1 1 − 2 1 ) \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) ∼ 1 0 0 1 1 0 1 2 1 1 − 1 1 0 1 − 2 0 0 1 ∼ ( 1 0 0 3 − 3 1 0 1 0 − 3 5 − 2 0 0 1 1 − 2 1 ) \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) ∼ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 3 − 3 1 − 3 5 − 2 1 − 2 1 所以矩阵可逆,且逆矩阵为
A − 1 = ( 3 − 3 1 − 3 5 − 2 1 − 2 1 ) A^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}
3 & -3 & 1 \\
-3 & 5 & -2 \\
1 & -2 & 1
\end{array}\right) A − 1 = 3 − 3 1 − 3 5 − 2 1 − 2 1 利用逆矩阵解方程 利用逆矩阵还可以求解矩阵方程
① A X = B ①A X=B ① A X = B
② X A = B ②X A=B ② X A = B
③ A X B = C ③A X B=C ③ A XB = C .
具体求解为
①若矩阵 A A A 可逆,则有
A − 1 ( A X ) = A − 1 B ⇒ ( A − 1 A ) X = A − 1 B ⇒ X = A − 1 B . A^{-1}(A X)=A^{-1} B \Rightarrow\left(A^{-1} A\right) X=A^{-1} B \Rightarrow X=A^{-1} B . A − 1 ( A X ) = A − 1 B ⇒ ( A − 1 A ) X = A − 1 B ⇒ X = A − 1 B . ②若矩阵 A A A 可逆,则有
( X A ) A − 1 = B A − 1 ⇒ X ( A A − 1 ) = B A − 1 ⇒ X = B A − 1 . (\mathrm{X} A) A^{-1}=B A^{-1} \Rightarrow X\left(A A^{-1}\right)=B A^{-1} \Rightarrow X=B A^{-1} . ( X A ) A − 1 = B A − 1 ⇒ X ( A A − 1 ) = B A − 1 ⇒ X = B A − 1 . ③若矩阵 A 、 B A 、 B A 、 B 可逆均可逆,则有
A − 1 ( A X B ) B − 1 = A − 1 C B − 1 ⇒ ( A − 1 A ) X ( B B − 1 ) = A − 1 C B − 1 ⇒ X = A − 1 C B − 1 . 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} . A − 1 ( A XB ) B − 1 = A − 1 C B − 1 ⇒ ( A − 1 A ) X ( B B − 1 ) = A − 1 C B − 1 ⇒ 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 ( A ∣ B ) (\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) ( A ∣ B )
②对矩阵 ( A ∣ B ) (\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) ( A ∣ B ) 实施初等行变换,将 ( A ∣ B ) (\boldsymbol{A} \mid \boldsymbol{B}) ( A ∣ B ) 化为行最简形矩阵;
③若 A \boldsymbol{A} A 能行等价于 E \boldsymbol{E} E ,则 A \boldsymbol{A} A 可逆,且 B \boldsymbol{B} B 就变成了 X = A − 1 B \boldsymbol{X}=\boldsymbol{A}^{-1} \boldsymbol{B} X = A − 1 B .
例 解方程
( − 1 4 − 2 7 ) X = ( 2 − 1 3 1 0 − 2 ) \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) ( − 1 − 2 4 7 ) X = ( 2 1 − 1 0 3 − 2 ) 解:
( − 1 4 2 − 1 3 − 2 7 1 0 − 2 ) \left(\begin{array}{cc|ccc}
-1 & 4 & 2 & -1 & 3 \\
-2 & 7 & 1 & 0 & -2
\end{array}\right) ( − 1 − 2 4 7 2 1 − 1 0 3 − 2 ) ∼ → ( 1 − 4 − 2 1 − 3 0 − 1 − 3 2 − 8 ) \sim
\rightarrow\left(\begin{array}{ll|lll}
1 & -4 & -2 & 1 & -3 \\
0 & -1 & -3 & 2 & -8
\end{array}\right) ∼→ ( 1 0 − 4 − 1 − 2 − 3 1 2 − 3 − 8 ) ∼ ( 1 0 10 − 7 29 0 1 3 − 2 8 ) \sim
\left(\begin{array}{cc|ccc}
1 & 0 & 10 & -7 & 29 \\
0 & 1 & 3 & -2 & 8
\end{array}\right) ∼ ( 1 0 0 1 10 3 − 7 − 2 29 8 ) 所以方程的解为
X = ( 10 − 7 29 3 − 2 8 ) \boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}
10 & -7 & 29 \\
3 & -2 & 8
\end{array}\right) X = ( 10 3 − 7 − 2 29 8 ) 例 解方程
X ( 1 0 − 2 0 − 2 1 − 2 − 1 5 ) = ( − 1 1 0 1 2 − 1 ) \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) X 1 0 − 2 0 − 2 − 1 − 2 1 5 = ( − 1 1 1 2 0 − 1 ) 对于方程 X A = B X A=B X A = B ,可以先用初等行变换求解方程 A T X T = B T A^{\mathrm{T}} X^{\mathrm{T}}=B^{\mathrm{T}} A T X T = B T ,再转置求出X X X
解:
( A T ∣ B T ) = ( 1 0 − 2 − 1 1 0 − 2 − 1 1 2 − 2 1 5 0 − 1 ) \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) ( A T ∣ B T ) = 1 0 − 2 0 − 2 1 − 2 − 1 5 − 1 1 0 1 2 − 1 ∼ ( 1 0 − 2 − 1 1 0 − 2 − 1 1 2 0 1 1 − 2 1 ) \sim
\left(\begin{array}{ccc|cc}
1 & 0 & -2 & -1 & 1 \\
0 & -2 & -1 & 1 & 2 \\
0 & 1 & 1 & -2 & 1
\end{array}\right) ∼ 1 0 0 0 − 2 1 − 2 − 1 1 − 1 1 − 2 1 2 1 ∼ ( 1 0 − 2 − 1 1 0 1 1 − 2 1 0 0 1 − 3 4 ) \sim
\left(\begin{array}{ccc|cc}
1 & 0 & -2 & -1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & -2 & 1 \\
0 & 0 & 1 & -3 & 4
\end{array}\right) ∼ 1 0 0 0 1 0 − 2 1 1 − 1 − 2 − 3 1 1 4 ∼ ( 1 0 0 − 7 9 0 1 0 1 − 3 0 0 1 − 3 4 ) \sim
\left(\begin{array}{ccc|cc}
1 & 0 & 0 & -7 & 9 \\
0 & 1 & 0 & 1 & -3 \\
0 & 0 & 1 & -3 & 4
\end{array}\right) ∼ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 − 7 1 − 3 9 − 3 4 所以 X T = ( − 7 9 1 − 3 − 3 4 ) \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\left(\begin{array}{cc}-7 & 9 \\ 1 & -3 \\ -3 & 4\end{array}\right) \quad X T = − 7 1 − 3 9 − 3 4 从而 X = ( − 7 1 − 3 9 − 3 4 ) \boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}-7 & 1 & -3 \\ 9 & -3 & 4\end{array}\right) X = ( − 7 9 1 − 3 − 3 4 )
例 解方程
( 1 1 − 1 − 2 ) X ( − 1 1 0 0 1 − 1 1 0 − 2 ) = ( 1 − 1 0 − 1 0 1 ) \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) ( 1 − 1 1 − 2 ) X − 1 0 1 1 1 0 0 − 1 − 2 = ( 1 − 1 − 1 0 0 1 ) 解:此题是 A X B = C \boldsymbol{A} \boldsymbol{X B}=\boldsymbol{C} A XB = C 类型的方程.令 X B = Y \boldsymbol{X B}=\boldsymbol{Y} XB = Y ,先求解方程 A Y = C \boldsymbol{A Y}=\boldsymbol{C} AY = C ,然后求解方程 B T X T = Y T \boldsymbol{B}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\boldsymbol{Y}^{\mathrm{T}} B T X T = Y T ,最后转置求出 X \boldsymbol{X} X 。
( A ∣ C ) = ( 1 1 1 − 1 0 − 1 − 2 − 1 0 1 ) → r 2 + r 1 ( 1 1 1 − 1 0 0 − 1 0 − 1 1 ) → ( − 1 ) r 2 r 1 + r 2 ( 1 0 1 − 2 1 0 1 0 1 − 1 ) (\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) ( A ∣ C ) = ( 1 − 1 1 − 2 1 − 1 − 1 0 0 1 ) r 2 + r 1 ( 1 0 1 − 1 1 0 − 1 − 1 0 1 ) r 1 + r 2 ( − 1 ) r 2 ( 1 0 0 1 1 0 − 2 1 1 − 1 ) 于是得 Y = ( 1 − 2 1 0 1 − 1 ) \boldsymbol{Y}=\left(\begin{array}{ccc}1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & -1\end{array}\right) Y = ( 1 0 − 2 1 1 − 1 ) .再由
( B T ∣ Y T ) = ( − 1 0 1 1 0 1 1 0 − 2 1 0 − 1 − 2 1 − 1 ) → r 2 + r 1 ( − 1 0 1 1 0 0 1 1 − 1 1 0 − 1 − 2 1 − 1 ) → ( − 1 ) h r 3 + r 2 ( − 1 0 1 1 0 0 1 1 − 1 1 0 0 1 0 0 ) → r 2 + ( − 1 ) r n r 2 ( − 1 ) r 5 ( − 1 ) r n ( 1 0 0 − 1 0 0 1 0 − 1 1 0 0 1 0 0 ) \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) ( B T ∣ Y T ) = − 1 1 0 0 1 − 1 1 0 − 2 1 − 2 1 0 1 − 1 r 2 + r 1 − 1 0 0 0 1 − 1 1 1 − 2 1 − 1 1 0 1 − 1 r 3 + r 2 ( − 1 ) h − 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 − 1 0 0 1 0 r 2 ( − 1 ) r 5 ( − 1 ) r n r 2 + ( − 1 ) r n 1 0 0 0 1 0 0 0 1 − 1 − 1 0 0 1 0 可知 X T = ( − 1 0 − 1 1 0 0 ) \boldsymbol{X}^{\mathrm{T}}=\left(\begin{array}{cc}-1 & 0 \\ -1 & 1 \\ 0 & 0\end{array}\right) X T = − 1 − 1 0 0 1 0 ,从而 X = ( − 1 − 1 0 0 1 0 ) \boldsymbol{X}=\left(\begin{array}{ccc}-1 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0\end{array}\right) X = ( − 1 0 − 1 1 0 0 ) .