矩阵的初等变换和应用的总结

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矩阵的初等变换及其应用

矩阵的初等变换及其应用
(3)传递性 即对任何矩阵 , 与 ,若 与 等价, 与 等价,则 与 等价;
3.矩阵的初等变换的应用
3.1求矩阵的秩
求矩阵秩的方法很多,一般有定义法、初等变换法、相关公式法、综合法、但当矩阵的具体元素为已知时,一般采用初等变换法即求非零行(列)的个数。
定义3.1.1 矩阵 中非零子式的最高阶数 称为矩阵 的秩.亦即, 中存在不为0的 阶子式,而所有 阶子式(若有的话)均为0,这时矩阵 的秩记作 (或 或秩 )
定义3.5.1 设 是一个 阶方阵,如果存在一个数 及一个 维非零列向量 ,使得

成立,则称数 为方阵 的一个特征值,非零列向量 称为方阵 的对应于(或属于)特征值 的特征向量.
定义3.5.2 行列式 (或 )称为矩阵 的特征多项式(注:特征多项式是 的 次多项式.) 是矩阵 的特征方程,具体形式为:
总之,矩阵初等变换是线性代数中一种重要的计算手段,我们可以利用矩阵初等变换求矩阵的秩,求逆矩阵,求矩阵方程等各种计算实例。随着科学技术的不断发展,矩阵的应用已经深入到了自然,社会,工程,经济等各个领域,而且人工智能、手机通讯和一般的算法设计和阐发等,矩阵在其应用中是通讯优化。我们不能局限于书本的学习,要理论联系实际,更好的运用理论知识解决实际遇到的问题。
时,子块 就化为 ,使得 。此时,若令 ,则 化为标准形
例8 化二次型 为标准形。
解:二次型矩阵为
实施初等变换
这样,经坐标变换 ,其中
二次型化为标准形
注:二次型可以用多种方法化标准形,其标准形不唯一。
总 结
在解决代数方面的一些题目时,运用矩阵的初等变换可以使问题简单化,比如在化二次型为标准型时,除了可以用初等变换法,还可以用正交变换法和配方法来计算,相比较初等变换更为简单,易于计算,好理解。矩阵的初等变换在解决线性代数的计算问题中有很多应用,这些计算格式有不少类似之处,一旦掌握了矩阵的运算,我们分析和解决方程组的能力将会大大增强。

矩阵初等行变换的规则

矩阵初等行变换的规则

矩阵初等行变换的规则矩阵初等行变换是线性代数中的重要概念,它是矩阵求解和矩阵变换中不可缺少的工具。

在此,我们将介绍矩阵初等行变换的规则,让大家更加深入地理解它的应用。

一、矩阵初等行变换的定义矩阵初等行变换是改变矩阵的行的顺序和大小,从而得到一个新的矩阵的操作。

矩阵初等行变换有三种类型,分别是交换两行、用一个非零常数乘以某一行、用一个非零常数乘以某一行再加到另一行上。

二、矩阵初等行变换的规则1.交换两行将矩阵的两行交换,得到的矩阵与原矩阵相比只有行的顺序发生了变化,矩阵的行列式值和秩不变。

例如,将一个3X3的矩阵的第一行和第二行进行交换,则变换后的矩阵为:$$\begin{bmatrix}a_{2,1}&a_{2,2}&a_{2,3}\\a_{1, 1}&a_{1,2}&a_{1,3}\\a_{3,1}&a_{3,2}&a_{3,3}\end{bma trix}$$2.用一个非零常数乘以某一行将矩阵的某一行的每一个元素都与一个非零常数相乘,得到新的矩阵,矩阵的行列式值和秩也得到相应的变化。

例如,将一个3X3的矩阵的第一行的每个元素都乘以2,则变换后的矩阵为:$$\begin{bmatrix}2a_{1,1}&2a_{1,2}&2a_{1,3}\\a_ {2,1}&a_{2,2}&a_{2,3}\\a_{3,1}&a_{3,2}&a_{3,3}\end{ bmatrix}$$3.用一个非零常数乘以某一行再加到另一行上将矩阵的第一行的每一个元素都乘以k,再加到第二行对应的元素上,得到一个新的矩阵,矩阵的行列式值和秩都会发生相应的变化。

例如,将一个3X3的矩阵的第一行的每个元素都乘以2,再加到第二行上,则变换后的矩阵为:$$\begin{bmatrix}a_{1,1}&a_{1,2}&a_{1,3}\\2a_{1 ,1}+a_{2,1}&2a_{1,2}+a_{2,2}&2a_{1,3}+a_{2,3}\\a_{3 ,1}&a_{3,2}&a_{3,3}\end{bmatrix}$$三、矩阵初等行变换的应用1.求解线性方程组通过对矩阵进行初等行变换,可以将矩阵变换为简化行阶梯矩阵或行最简矩阵,进而求解线性方程组的解。

矩阵的初等变换及其应用

矩阵的初等变换及其应用

在数学中矩阵最早来源于方程组的系数及常数所构成的方阵,现在矩阵是线性代数最基本也是最重要的概念之一。

在线性代数及其许多的问题中都能看到矩阵的身影,它能把抽象的问题用矩阵表示出来,通过对矩阵进行计算得出结果。

作为矩阵的基础及核心,矩阵的初等变换及应用是非常重要的,它能够把各种复杂的矩阵转化成我们需要的矩阵形式,从而使计算变得更加的简便。

本文总结了线性变换在线性代数、初等数论、通信、经济、生物遗传等方面的应用。

关键词:矩阵;初等变换;标准型;逆矩阵;标准型;秩;方程组ABSTRACTMatrix derived from the first phalanx of the coefficients and constants of the equations in mathematics, now matrix is the most fundamental and important concepts of linear algebra, in linear algebra and many other questions can be seen the figure of the matrix, It can abstract the matrix representation, then matrix calculated results. As the foundation and core of the matrix, the elementary transformation matrix and its application is very important, it can conversion a variety of complex matrix into a matrix form we need, then the calculation becomes more simple.This paper summarizes the application of linear algebra, elementary number theory, communications, and economic, biological heredity.Key words:Matrix; Elementary transformation; standard; inverse matrix; standard; rank; equations;1矩阵及其初等变换的概念 (1)2矩阵初等变换的应用 (1)2.1在线性代数中的应用 (2)2.1.1 将矩阵化简为阶梯型和等价标准型 (2)2.1.2矩阵的分块和分块矩阵的初等变换 (3)2.1.3求伴随矩阵和逆矩阵 (4)2.1.4求矩阵的秩,向量组的秩 (5)2.1.5求矩阵的特征值和特征向量 (6)2.1.6 解线性方程组 (7)2.1.7求解矩阵方程 (8)2.1.8化二次型为标准型 (9)2.1.9判断向量组的线性相关性,求其极大线性无关组 (11)2.2在数论中的应用 (11)2.3在通信中的应用 (13)2.4在经济方面的应用 (14)2.5在生物遗传方面的应用 (15)总结 (18)致谢 (19)参考文献 (20)矩阵的初等变换及其应用在线性方程组的讨论中我们看到,线性方程组的一些重要性质反映在它的系数矩阵和增广矩阵的性质上,并且解方程组的过程也表现为对这些矩阵的转化过程,除方程组之外,还有很多方面的问题也都涉及矩阵的概念及其应用,这些问题的研究常常转化为对矩阵的研究,甚至于有些性质完全不同的、表面上完全没有联系的问题,归结成矩阵问题以后却是相同的。

矩阵的初等变换规则

矩阵的初等变换规则

矩阵的初等变换规则
(一)初等变换的规则
1. 交换行法:将矩阵中的两行互换,行对应元素也随之改变。

2. 改变系数法:将矩阵中的某行乘以一定的非零常数,行对应的元素也随之改变。

3. 复合法:将矩阵中的某行乘以一定的非零常数后,与另一行按和或差的方法结合,行对应的元素也随之改变。

4. 交换列法:将矩阵中的两列互换,列对应的元素也随之改变。

(二)初等变换的意义
初等变换是用来将一个线性方程组转化为一个有解的线性方程。

使用初等变换的原则,如将两个方程乘以不同的负数,甚至一步就能解出有解的线性方程,使方程系数矩阵更加简洁,容易操作。

同时这也可以使我们更加清楚地理解线性方程和不同解的对应关系。

(三)初等变换的应用
1. 运用初等变换可以将零向量和零矩阵转换为方便求解的标准乘法型和齐次方程组。

2. 初等变换可以用来求解边界值来解决边界值问题,为做出最终的选择提供保障。

3. 使用初等变换可以有效地求解线性方程组,给出正确的结果,对计
算机科学方面有很大帮助。

4. 初等变换可以用来求解有关矩阵与特征值、特征向量的求解问题,计算机硬件和软件设计中也有着广泛的应用。

矩阵初等变换及其在线性代数中的应用

矩阵初等变换及其在线性代数中的应用

矩阵初等变换及其在线性代数中的应用线性代数是一门重要的数学分支,它研究的是线性变换及其代数分析性质。

其中,矩阵是线性代数中非常重要的工具,它可以把线性方程组转化成一个更简单的形式,使得我们可以更容易地进行求解。

而矩阵的初等变换则是在求解线性方程组时必须要用到的一种基本技巧。

本篇文章将深入探讨矩阵初等变换及其在线性代数中的应用。

矩阵初等变换到底是什么?矩阵初等变换是指对于一个矩阵来说,可以通过三种基本变换操作得到新的矩阵。

这三种操作分别是:交换矩阵的任意两行或两列;用一个非零常数 k 乘以矩阵的某一行或某一列;将矩阵的某一行或某一列加上另一行或另一列的 k 倍。

这三种操作称为矩阵的行初等变换或列初等变换。

首先来看一个示例,假设有如下矩阵:$$\begin{bmatrix}1 &2 \\3 &4 \\\end{bmatrix}$$对于这个矩阵,我们可以进行如下初等变换:①交换第一行和第二行$$\begin{bmatrix}3 &4 \\1 &2 \\\end{bmatrix}$$②将第二行乘以2$$\begin{bmatrix}1 &2 \\6 & 8 \\\end{bmatrix}$$③将第二行减去第一行的两倍$$\begin{bmatrix}1 &2 \\4 & 4 \\\end{bmatrix}$$通过这三种基本变换,我们可以将原始矩阵变换成一个新的矩阵。

这个过程通常用矩阵的运算符号表示,比如将第二行减去第一行两倍的操作可以表示为:$$\begin{bmatrix}1 & 0 \\-2 & 1 \\\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1 &2 \\3 &4 \\\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1 &2 \\1 & 0 \\\end{bmatrix}$$其中,左侧的矩阵就是一个变换矩阵,它表示了对原矩阵的操作。

矩阵的初等变换及其应用

矩阵的初等变换及其应用

矩阵的初等变换是指对矩阵进行一系列特定的行变换、列变换或行列变换,其目的是简化矩阵的形式或者解方程组。

常见的初等变换包括以下三种:
1.交换两行或两列:将矩阵中的两行或两列进行交换。

2.某一行或列乘以一个非零常数**:将矩阵中的某一行或某一列的所有元素乘以一个非零常数。

3.某一行或列加上另一行或列的若干倍**:将矩阵中的某一行或某一列的元素分别加上另一行或列对应位置元素的若干倍。

矩阵的初等变换可以应用于多个领域,主要包括以下几个方面的应用:
1.线性方程组的求解:通过对增广矩阵进行初等变换,将线性方程组化简为最简形式,从而求得方程组的解。

2.矩阵的求逆:通过初等变换将原矩阵化为单位矩阵或对角矩阵,从而求得原矩阵的逆矩阵。

3.矩阵的标准形式:利用初等变换将矩阵化为标准形式,如行阶梯形矩阵或最简行阶梯形矩阵,便于进一步的研究和计算。

4.特征值和特征向量的求解:通过初等变换将矩阵转化为对角矩阵,
从而求得矩阵的特征值和特征向量。

5.线性空间的基变换:在线性代数中,我们可以通过初等变换将一组向量变换为线性空间的一组基,从而简化问题的处理。

总的来说,矩阵的初等变换在线性代数、方程组求解、特征值分析等领域都具有重要的应用价值,能够简化计算、找出规律、解决实际问题。

矩阵的广义初等变换及应用

矩阵的广义初等变换及应用

设 A, B, C , D ∈ M n ( F ) ,证明
A B C D B A D C C D A B D C B A
M =
=
1 8 2 0 −2 14 2 − 2 11 = 1 ⋅ 14 − 20 11 8 − ⋅ [0 − 20 2 2] −2 = 14 −5 = 118 − 24

1 B, 2
A 0
0 A B → B 0 B

A 0
A + B B
万方数据
芜湖职业技术学院学报 2005 年第 7 卷第 2 期
57
A 0 A A + B ∴ r ≥ r(A+B) 0 B =r 0 B
对此分块矩阵

A B C D
实施一次广义初等变换后得到的矩阵称为广义初等 矩阵 广义初等矩阵有下面三种形式 1
0 E n Em 0
B A 广义初等变换 → −1 0 D − CA B
由行列式的性质知在此变换过程中矩阵 M 作成的行 列式的值不变,即

−E E
− ( A − B) ( A − B) 1 1 [( A + B ) −1 − ( A − B ) −1 ] [( A + B ) −1 + ( A − B ) −1 ] 2 2
−1 −1
r(A)+r(B) ≤ n 证明 构造分块矩阵
E B E 0 E → → → B E A − AB 0 0 0 0 0
B −1 = 1 B B = 1 A − B −1 4 B − B 4

矩阵的初等变换及应用的总结

矩阵的初等变换及应用的总结

矩阵的初等变换及应用的总结矩阵的初等变换是线性代数中非常重要的一个概念,它可以通过对矩阵的行或列进行一系列的操作,得到新的矩阵。

初等变换主要包括三种:行交换、行倍乘和行倍加。

在实际应用中,初等变换可以用来求解线性方程组、计算矩阵的逆和秩等。

一、行交换:行交换是将矩阵中的两行进行调换。

具体操作是互换两行的顺序,即将矩阵的第i行与第j行进行互换。

这个操作可以用一个初等矩阵来表示,即单位矩阵中将第i行和第j行进行交换。

应用:在线性方程组的求解中,我们可以通过行交换将系数矩阵的行变换成一个上三角矩阵,从而方便进行后续的计算。

二、行倍乘:行倍乘是将矩阵中的其中一行的所有元素同时乘以一个非零常数k。

具体操作是将矩阵的第i行的每个元素都乘以k。

这个操作可以用一个初等矩阵来表示,即在单位矩阵的第i行的对角线位置上放置k。

应用:行倍乘在求解线性方程组时,可以用来将一些方程的系数标准化,使得系数矩阵变为一个拥有单位元的对角矩阵,从而简化方程组的求解。

三、行倍加:行倍加是将矩阵中的其中一行的每个元素都乘以一个非零常数k,并加到另一行的对应元素上。

具体操作是将矩阵的第i行的每个元素都乘以k,然后加到矩阵的第j行的对应元素上。

这个操作可以用一个初等矩阵来表示,即在单位矩阵的第j行的第i列上放置k。

应用:行倍加在线性方程组的求解中,可以用来将一些方程的k倍加到另一个方程上,从而使一些方程的一些变量消失,达到消元的目的。

综上所述,矩阵的初等变换是通过对矩阵的行或列进行一系列的操作,得到新的矩阵。

初等变换主要包括行交换、行倍乘和行倍加。

在实际应用中,初等变换可以用来求解线性方程组、计算矩阵的逆和秩等。

在线性方程组的求解中,通过矩阵的初等变换可以将系数矩阵变为一个上三角矩阵,从而方便后续的计算。

同时,可以通过初等变换将方程组化为最简形式,从而得到方程组的解。

在计算矩阵的逆时,可以通过初等变换将原矩阵左边加上单位矩阵,并经过一系列的操作将原矩阵化为单位矩阵,从而得到矩阵的逆。

矩阵的初等变换及应用的总结

矩阵的初等变换及应用的总结

矩阵的初等变换及应用内容摘要:矩阵是线性代数的重要研究对象。

矩阵初等变换是线性代数中一种重要的计算工具,利用矩阵初等变换,可以求行列式的值,求解线性方程组,求矩阵的秩,确定向量组向量间的线性关系。

一矩阵的概念定义:由于m×n个数aij(i=1,2,….,m;j=1,2,….,n)排成的m行n列的数表,称为m行n列,简称m×n矩阵二矩阵初等变换的概念定义:矩阵的初等行变换与初等列变换,统称为初等变换1.初等行变换矩阵的下列三种变换称为矩阵的初等行变换:(1) 交换矩阵的两行(交换两行,记作);(2) 以一个非零的数乘矩阵的某一行(第行乘数,记作);(3) 把矩阵的某一行的倍加到另一行(第行乘加到行,记为).1.初等列变换把上述中“行”变为“列”即得矩阵的初等列变换3 ,如果矩阵A经过有限次初等变换变成矩阵B,就称矩阵A 与矩阵B等价,记作A~B矩阵之间的等价关系具有下列基本性质:(1) 反身性;(2) 对称性若,则;(3) 传递性若,,则.三矩阵初等变换的应用1.利用初等变换化矩阵为标准形定理:任意一个m×n矩阵A,总可以经过初等变换把它化为标准形2.利用初等变换求逆矩阵求n阶方阵的逆矩阵:即对n×2n矩阵(A¦E)施行初等行变换,当把左边的方阵A变成单位矩阵E的同时,右边的单位矩阵也就变成了方阵A的逆矩阵A^(-1)即(A|E)经过初等变换得到(E|A^(-1))这种计算格式也可以用来判断A是否可逆,当我们将A化为行阶梯形矩阵时,若其中的非零行的个数等于n时,则A可逆,否则A不可逆。

设矩阵可逆,则求解矩阵方程等价于求矩阵,为此,可采用类似初等行变换求矩阵的逆的方法,构造矩阵,对其施以初等行变换将矩阵化为单位矩阵,则上述初等行变换同时也将其中的单位矩阵化为,即.这样就给出了用初等行变换求解矩阵方程的方法.同理, 求解矩阵方程等价于计算矩阵亦可利用初等列变换求矩阵. 即.3.利用矩阵初等变换求矩阵的秩矩阵的秩的概念是讨论向量组的线性相关性、深入研究线性方程组等问题的重要工具. 从上节已看到,矩阵可经初等行变换化为行阶梯形矩阵,且行阶梯形矩阵所含非零行的行数是唯一确定的, 这个数实质上就是矩阵的“秩”,鉴于这个数的唯一性尚未证明,在本节中,我们首先利用行列式来定义矩阵的秩,然后给出利用初等变换求矩阵的秩的方法.定理:矩阵的初等变换不改变矩阵的秩,即若A~B则R(A)=R(B)为求矩阵的秩,只要把矩阵用初等行变换变成阶梯矩阵解体矩阵中非零行的行数即是该矩阵的秩利用矩阵值得概念,能够讨论线性方程组有解的条件,然后通过研究向量组的线性相关性,向量组的秩等重要概念,讨论线性方程组的结构。

矩阵初等变换及其应用毕业论文

矩阵初等变换及其应用毕业论文

矩阵初等变换及其应用毕业论文矩阵初等变换及其应用毕业论文摘 要:初等变换是高等代数和线性代数学习过程中非常重要的,使用非常广泛的一种工具。

本文列举了矩阵初等变换的几种应用,包括求矩阵的秩、判断矩阵是否可逆及求逆矩阵、判断线性方程组解的状况、求解线性方程组的一般解及基础解系、证向量的线性相关性及求向量的极大无关组、求向量空间两个基的过渡矩阵、化二次型为标准形。

并用具体例子说明矩阵初等变换在以上几种应用中是如何运用的。

关键词:矩阵 初等变换 初等矩阵在代数的学习过程中,我发现矩阵的初等变换有许多应用,几乎贯穿着始终。

本文将对矩阵的初等变换进行介绍并以具体例子说明矩阵初等变换的七种应用。

虽然这些计算格式有不少类似之处,但是也指出由于这些计算格式有不同的原理,所以它们的应用也有一些明显的区别。

定义1:矩阵的行(列)初等变换是指对一个矩阵施行的下列变换: (1)交换矩阵的两行(列)(交换第i ,j 两行(列),记作()ij ij r c );(2)用一个不等于零的数乘矩阵的某一行(列)即用一个不等于零的数乘矩阵的某一行(列)的每一个元素(用数k 乘以第i 行(列),记作()(())i i r k c k ;(3)用某一个数乘矩阵的某一行(列)后加到另一行(列),即用某一数乘矩阵的某一行(列)的每一个元素再加到另一行(列)的对应元素上(第i 行(列)k 倍加到第j 行(列),记作()(())ij ij r k c k 。

初等行、列变换统称为初等变换。

定义2:对单位矩阵I 仅施以一次初等变换后得到的矩阵称为相应的初等矩阵,分别记为第1、2、3类行(列)初等矩阵为()ij ij R C ,()(())i i R k C k ,()(())ij ij R k C k ,有ij R =ij C =10111⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ()i R k =()i C k =1k1⎛⎫ ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭()ij R k =()ij C k =11j 11i k⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭行行 初等变换与初等矩阵之间有下列基本性质。

矩阵中的初等矩阵运算

矩阵中的初等矩阵运算

矩阵中的初等矩阵运算矩阵是线性代数中非常重要的概念。

它是一个由数及它们的行列组成的数组。

在矩阵中,初等矩阵运算是一种基本的矩阵运算,它对于线性代数的学习十分关键。

本文将介绍矩阵中的初等矩阵运算,并讨论它在矩阵计算中的应用。

一、初等矩阵运算的基本概念初等矩阵是指那些只进行一次初等行、列变换后得到的矩阵。

其中,初等行、列变换包括以下三种:(1)交换两行或两列;(2)用一个非零常数k乘以某一行或某一列;(3)用一个非零常数k乘以某一行或某一列,然后加到另一行或另一列上。

由此可见,初等矩阵是通过对单位矩阵(即对角线上的元素都为1,其余元素都为0的矩阵)进行上述初等行、列变换得到的矩阵。

简单来说,如果将单位矩阵进行一次初等行、列变换后得到的矩阵就是初等矩阵。

二、初等矩阵运算的基本规律初等矩阵与单位矩阵之间的关系比较特殊。

以下是初等矩阵运算的基本规律:(1)如果E是任意一个初等矩阵,则它的逆矩阵E-1也是一个初等矩阵;(2)若A是任意一个矩阵,B是用E左乘A得到的矩阵(即B=E*A),则B和A等价;(3)若A是任意一个矩阵,B是用A右乘E得到的矩阵(即B=A*E),则B和A等价。

可以发现,初等矩阵与单位矩阵之间的运算比较简单,并且与矩阵的行、列变换密切相关。

这也是初等矩阵运算在计算中广泛应用的原因之一。

三、初等矩阵运算的应用初等矩阵运算在矩阵计算中有广泛的应用。

以下是几个常见的应用:(1)矩阵求逆矩阵求逆是一个非常重要的计算。

在求逆时,可以将原矩阵与单位矩阵组合成一个增广矩阵,然后进行初等行变换,使得原矩阵变成单位矩阵,从而求出原矩阵的逆矩阵。

(2)矩阵变换在图像处理中,经常需要对图像进行变换。

例如,将一张图片进行翻转或旋转等操作。

这些变换可以通过对单位矩阵进行初等列、行变换来实现。

(3)线性方程组求解线性方程组求解是矩阵计算中的一个重要应用。

在求解线性方程组时,可以将系数矩阵与常数向量构成一个增广矩阵,然后进行初等行变换,将增广矩阵转化为简化阶梯形矩阵,从而求出解向量。

线性代数-矩阵的初等变换

线性代数-矩阵的初等变换

求解未知量
根据行最简形式的矩阵,直接求解出未知量 的值。
案例分析:具体求解过程展示
案例一
01
简单线性方程组求解过程展示,包括构造增广矩阵、进行初等
变换和求解未知量等步骤。
案例二
02
复杂线性方程组求解过程展示,涉及更多未知量和更复杂的增
广矩阵,展示如何利用初等变换求解该类问题。
案例三
03
含参数线性方程组求解过程展示,通过引入参数,展示如何对
含参数的线性方程组进行求解和分析。
04 初等变换在矩阵秩计算中 应用
矩阵秩定义及性质
矩阵秩定义:矩阵A中不等 于0的子式的最大阶数称为
矩阵A的秩,记作r(A)。
矩阵秩的性质
矩阵的秩是非负的,且等于 其行秩或列秩。
若矩阵A可逆,则r(A)=n, 其中n为A的阶数。
若矩阵A为0矩阵,则 r(A)=0。
初等变换与矩阵的等价关系
通过初等变换,我们可以得到与原矩阵等价的矩阵。这种等价关系在线性代数中具有重要意义,它揭示了矩 阵之间的一种本质联系。
初等变换在求解线性方程组中的应用
通过对方程组的增广矩阵进行初等变换,我们可以将方程组化为简化阶梯形式,从而方便地求出方程组的解。
对未来研究方向和趋势展望
深入研究初等变换的 性质和应用
条件
01
非零行的首非零元为1;
02
首非零元所在列的其他元素全 为零。
03
性质
最简形矩阵是唯一的;
对于任意行阶梯形矩阵,总可
04
05
以通过初等行变换化为最简形
矩阵。
06
行阶梯形与最简形矩阵,二者都可以通过初等行变换得到。
区别
行阶梯形矩阵只要求非零行的首非零元所在列的上三角元素全为零,而最简形矩阵还要求非零行的首非零元为1, 且所在列的其他元素全为零。因此,最简形矩阵比行阶梯形矩阵具有更简洁的形式。

矩阵的初等变换及其应用

矩阵的初等变换及其应用

㊀㊀㊀㊀㊀㊀矩阵的初等变换及其应用矩阵的初等变换及其应用Һ顾江永㊀(宿迁学院文理学院,江苏㊀宿迁㊀223800)㊀㊀ʌ摘要ɔ矩阵的初等变换在代数学中具有重要的地位,本文给出了运用初等变换求解方程组的基础解系㊁特征值㊁多项式的最大公因式和Jordan标准形相似变换矩阵等方法,这些方法具有直观㊁简捷㊁有效等特点.ʌ关键词ɔ初等变换;基础解系;最大公因式;相似变换矩阵ʌ基金项目ɔ2019江苏省高校教学研究一般项目(2019SJA1997)一㊁引㊀言矩阵的初等变换包括矩阵的初等行变换和矩阵的初等列变换,矩阵的初等行(列)变换有三种形式[1]:(1)交换两行(列);(2)任一行(列)的k倍(kʂ0);(3)任一行(列)的k倍加到另一行(列).在代数学中,矩阵的初等变换有着非常重要且广泛的应用,它常被应用于行列式的计算㊁方程组以及矩阵方程的求解㊁向量线性关系的判定㊁求矩阵的秩以及逆㊁λ-矩阵的不变因子和矩阵的Jordan标准形等.张家宝给出了初等变换求逆的几种方法[2];石擎天等研究了初等变换求解方程组的特殊方法[3];于莉琦等介绍了初等变换在行列式㊁矩阵和方程组中的应用[4].本文给出了矩阵的初等变换求解方程组的基础解系㊁最大公因式和Jordan标准形的相似变换矩阵等方法及应用.二㊁预备知识引理1[5]㊀设矩阵Amˑn的秩为r,且Amˑn=PEr000æèçöø÷Q,其中Pmˑm,Qnˑn为可逆矩阵,则有P-100Enæèçöø÷AEnæèçöø÷Q-1=Er000Q-1æèççöø÷÷.证明㊀因为Amˑn=PEr000æèçöø÷Q,所以Er000æèçöø÷=P-1AmˑnQ-1,故P-100Enæèçöø÷AEnæèçöø÷Q-1=P-1AEnæèçöø÷Q-1=P-1AQ-1Q-1æèçöø÷=Er000Q-1æèççöø÷÷,注:引理1给出了化一个矩阵为标准形的求Q-1的方法.引理2㊀设矩阵Amˑn的秩为r,则矩阵AEnæèçöø÷仅经初等列变换可以化为β1,β2, ,βr,0, ,0Q-1æèçöø÷,其中β1,β2, ,βr线性无关,且AQ=β1,β2, ,βr,0, ,0().证明㊀因为Amˑn的秩为r,所以Amˑn的列秩等于r,即矩阵Amˑn列向量组的最大线性无关组由r个向量构成,不妨设为β1,β2, ,βr,故由初等变换的性质可得AEnæèçöø÷仅经初等列变换可以化为β1,β2, ,βr,0, ,0Q-1æèçöø÷.引理3[6]㊀设A是数域P上的n阶方阵,将矩阵λE-A经初等变换化为上三角形矩阵f1(λ)0 0∗f2(λ)0︙︙⋱︙∗∗fn(λ)æèççççöø÷÷÷÷,则fi(λ)=0(i=1,2, ,n)在数域P上的根即为矩阵A的全部特征根.证明㊀根据初等变换的性质可知,初等变换不改变λE-A=0的根,故f1(λ)0 0∗f2(λ) 0︙︙⋱︙∗∗fn(λ)=f1(λ)f2(λ) fn(λ)=0的根即为矩阵A的全部特征根.引理4㊀设f1(x),f2(x), ,fs(x)是数域P上的多项式,且f1(x),f2(x), ,fs(x)()T经初等行变换化为d(x),0, ,0()T,则d(x)即为f1(x),f2(x), ,fs(x)的最大公因式.证明㊀由辗转相除法原理直接可得[1].三㊁主要结论定理1㊀设齐次线性方程组Amˑnx=0,其系数矩阵Amˑn的秩为r,且Amˑn=PEr000æèçöø÷Q,又设Q-1=(η1, ,ηr,ηr+1, ,ηn),则ηr+1,ηr+2, ,ηn是线性方程组Amˑnx=0的基础解系.证明㊀设Qx=y1︙yr︙ynæèçççççöø÷÷÷÷÷=YrYn-ræèçöø÷,由Amˑnx=PEr000æèçöø÷Qx=PEr000æèçöø÷YrYn-ræèçöø÷=0,可得Yr=y1︙yræèççöø÷÷=0,所以x=Q-1YrYn-ræèçöø÷=Q-10︙0yr+1︙ynæèççççççöø÷÷÷÷÷÷.㊀㊀㊀㊀㊀令Q-1=(η1, ,ηr,ηr+1, ,ηn),则x=yr+1ηr+1+yr+2ηr+2+ +ynηn.因为Q是可逆矩阵,则ηr+1,ηr+2, ,ηn线性无关,所以ηr+1,ηr+2, ,ηn为方程组的一个基础解系.定理2[7]㊀设A是数域P上的n阶方阵,矩阵λEn-AEnæèçöø÷经初等变换化为φ1(λ)0⋱0φn(λ)Q(λ)æèççççöø÷÷÷÷(其中初等行变换只能在前n行进行).设Q(λ)的第j列为qj(λ),若λ-λ0()k为φj(λ)的初等因子,则Aqj(λ0),qᶄj(λ0)1!,qᵡj(λ0)2!, ,q(k-1)j(λ0)(k-1)!æèçöø÷=qj(λ0),qᶄj(λ0)1!,qᵡj(λ0)2!, ,q(k-1)j(λ0)(k-1)!æèçöø÷λ0100λ00︙︙⋱100λ0æèççççöø÷÷÷÷.证明㊀由题设知,存在可逆矩阵P(λ),Q(λ),使得P(λ)λEn-A()Q(λ)=φ1(λ)0⋱0φn(λ)æèççöø÷÷.因为qj(λ)是Q(λ)的第j列,所以P(λ)λEn-A()qj(λ)=(0, ,0,φj(λ),0, ,0)T.又设qj(λ)的幂级数展开式为qj(λ)=qj(λ0)+qᶄj(λ0)1!λ-λ0()+qᵡj(λ0)2!λ-λ0()2+ ,代入P(λ)λEn-A()qj(λ)=(0, ,0,φj(λ),0, ,0)T,得λ0En-A()qj(λ0)=0,λ0En-A()qᶄj(λ0)+qj(λ)=0,λ0En-A()q(k-1)j(λ0)(k-1)!+qk-2()j(λ0)k-2()!=0.上面等式两边相加㊁移项并提取矩阵A可得A(qj(λ0),qᶄj(λ0)1!,qᵡj(λ0)2!, ,q(k-1)j(λ0)(k-1)!)=(qj(λ0),qᶄj(λ0)1!,qᵡj(λ0)2!, ,q(k-1)j(λ0)(k-1)!)λ0100λ0 0︙︙⋱100λ0æèççççöø÷÷÷÷.四㊁应用举例例1㊀求多项式f1(x),f2(x),f3(x)的最大公因式,其中f1(x)=x4+2x3+4x2+3x+2,f2(x)=x4+x3+3x2+x+2,f3(x)=x3+2x2+3x+2.解㊀因为f1(x)f2(x)f3(x)æèççöø÷÷=f1(x)-f2(x)f2(x)-xf3(x)f3(x)æèççöø÷÷=x3+x2+2x-x3-x+2x3+2x2+3x+2æèççöø÷÷=x3+x2+2xx2+x+2x2+x+2æèççöø÷÷=x3+x2+2xx2+x+20æèççöø÷÷=x2+x+200æèççöø÷÷,所以由引理4知,f1(x),f2(x),f3(x)的最大公因式为d(x)=x2+x+2.例2㊀求齐次线性方程组x1+x2+x3+x4+x5=0,3x1+2x2+x3+x4-3x5=0,5x1+4x2+3x3+3x4-x5=0{的基础解系.解㊀对系数矩阵A施行初等行变换如下A=111113211-35433-1æèççöø÷÷ r2-3r1r3-5r1111110-1-2-2-60-1-2-2-6æèççöø÷÷ r1+r2r2ˑ(-1)r3-r210-1-1-50122600000æèççöø÷÷.又10-1-1-5012261000001000001000001000001æèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷ c3+c1c4+c1c5+5c110000012261011501000001000001000001æèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷ c3-2c2c4-2c2c5-6c210000010001011501-2-2-6001000001000001æèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷则由引理2知,方程组的基础解系为η1=(1,-2,1,0,0)T,η2=(1,-2,0,1,0)T,η3=(5,-6,0,0,1)T.ʌ参考文献ɔ[1]王萼芳,石生明.高等代数(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2019:5.[2]张家宝.浅谈求逆矩阵的几种方法[J].数学学习与研究,2020(10):4-5.[3]石擎天,黄坤阳.线性方程组求解及应用[J].教育教学论坛,2020(12):325-327.[4]于莉琦,高恒嵩.初等变换概述[J].数学学习与研究,2019(06):116.[5]徐仲,陆全,等.高等代数考研教案(第2版)[M].西安:西北工业大学出版社,2009.[6]卢博,田双亮,等.高等代数思想方法及应用[M].北京:科学出版社,2017.[7]朱广化.关于‘相似变换矩阵的简单求法“的改进[J].数学通报,1994(11):44-46.。

初等变换在矩阵计算中的运用2X3阶行列式的计算方法

初等变换在矩阵计算中的运用2X3阶行列式的计算方法

初等变换在矩阵计算中的运用2X3阶行列式的计算方法线性代数是高等数学的一个重要分支,而矩阵理论则是线性代数的主要内容和重要基础,在科学决策、工程技术等方面都有着广泛的应用。

其中,矩阵的初等变换则是贯穿矩阵理论的始终,在线性代数中起着重要的作用。

因此本文主要介绍矩阵初等变换的几种应用。

一、矩阵初等变换的概念1.交换矩阵的两行(列);2.以一个非零的数乘矩阵的某行(列),即用一个非零的数乘矩阵某一行(列)中的每一个数;3.用一个非零的数乘矩阵的某行(列)加到另一行(列),即用某一个非零的数乘矩阵的某一行(列)的每一个元素加到另一行(列)的对应元素上。

二、矩阵初等变换的应用(一)用初等变换求逆矩阵在矩阵理论中,逆矩阵占了一个很重要的地位,因此如何求逆矩阵就变得十分重要。

通常,我们可以用矩阵的初等变换或者利用伴随矩阵来求逆矩阵,但是如果利用伴随矩阵来计算n阶矩阵的逆矩阵,就必须计算n2+1个行列式,过程相当复杂,因此常用的方法就是矩阵的初等变换。

对于任意矩阵A,求逆矩阵A-1的过程如下:1.用一个与矩阵A同阶的单位矩阵E与A组成一个n×2n矩阵(A:E)2.利用矩阵初等变换法则,将矩阵(A:E)的左半部分化为单位矩阵,此时其右半部分即为A-1,即例1.求矩阵A=的逆矩阵。

(二)用初等变换求解矩阵方程常见的矩阵方程形如XA=B,AX=B与A×B=C,若A,B均可逆,则矩阵方程可解,其解分别为X=BA-1,X=A-1B与X=A-1BC-1。

例如XA=B,在计算过程中,可把An×n与Bm×n上下放一起构造出(m×n)×n矩阵,即,即可求得X=BA-1。

同理,若对于AX=B,可把An×n与Bm×n并排放一起,即,即可求出X=A-1B。

对于一般的矩阵方程,此方法简单易行,如下例:例2.设矩阵与矩阵X满足关系式X+A=XA,求矩阵X。

解:由已知X+A=XA,有X(A-E)=A,而,构造3×6矩阵(三)用初等变换求矩阵的秩对于矩阵A,若矩阵A存在一个非零的k阶子式B,而所有k+1阶子式都为0,则B即为矩阵A的最高阶非零子式,且子式B的阶数k即为矩阵A的秩,即秩A=k。

3.1 矩阵的初等变换及其应用

3.1 矩阵的初等变换及其应用
3.1 矩阵的初等变换及其应用
在科学技术与经济管理领域,线性方程组是许多问题的数学模型,因此,线性方程组的求解问题十分重要,本章将研究更一般的线性方程组的求解问题。
一、矩阵的初等变换
用消元法求解简单线性方程组时,其消元步骤是对方程组施以下列变换:
(i) 对调某两个方程在方程组中的位置;
(ii) 以数 乘某一方程的两端;
(iii) 把某一方程的两端乘以数 后加到另一方程的两端.
这些变换称为线性方程组的初等变换,由此引出矩阵的初等行变换.
定义6 下面三种变换称为矩阵的初等行变换:
(i) 对调两行(对调 两行,记作 );
(ii) 以数 乘某一行中的所有元素(第 行乘 ,记作 );
(iii) 把某一行所有元素的 倍加到另一行对应的元素上去(第 行的 倍加到第 行上,记作 ).
.

上式中最后一个矩阵为行阶梯矩阵,由此即可看出 .
若D含有矩阵B的第 行元素,同时含有矩阵B的第 行元素,那么由行列式的性质知D与矩阵A中的一个相应 阶子式相等,所以也有D=0.
综上,则得 .
又因为,将B的第 行的乘以 加到第 行得到矩阵A,所以同理可得 .故
由定理3知,求矩阵的秩只需利用初等行变换将矩阵化为行阶梯形矩阵,然后确定矩阵的秩.
例4 求矩阵A的秩,其中
用 阶初等方阵 左乘矩阵 得
其结果相当于对矩阵A施行第一种初等行变换:把A的第 行与第 行对调( );类似地可以验证:以 左乘矩阵A,其结果相当于以数 乘A得第 行( );以 左乘矩阵A,其结果相当于把A的第 行乘 加到第 行上( ).
综上所述,可得下述定理.
定理1设A是一个 矩阵,对A施行一次初等行变换,相当于在A的左边乘以相应的 阶初等方阵;对A施行一次初等列变换,相当于在A的右边乘以相应的 阶初等方阵.
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矩阵的初等变换及应用
内容摘要:
矩阵是线性代数的重要研究对象。

矩阵初等变换是线性代数中一种重要的计算工具,利用矩阵初等变换,可以求行列式的值,求解线性方程组,求矩阵的秩,确定向量组向量间的线性关系。

一矩阵的概念
定义:由于m×n个数aij(i=1,2,….,m;j=1,2,….,n)排成的m行n列的数表,称为m行n列,简称m×n矩阵
二矩阵初等变换的概念
定义:矩阵的初等行变换与初等列变换,统称为初等变换
1.初等行变换
矩阵的下列三种变换称为矩阵的初等行变换:
(1) 交换矩阵的两行(交换两行,记作);
(2) 以一个非零的数乘矩阵的某一行(第行乘数,记作
);
(3) 把矩阵的某一行的倍加到另一行(第行乘加到行,记为).
1.初等列变换
把上述中“行”变为“列”即得矩阵的初等列变换
3 ,如果矩阵A经过有限次初等变换变成矩阵B,就称矩阵A 与矩阵B等价,记作A~B
矩阵之间的等价关系具有下列基本性质:
(1) 反身性;
(2) 对称性若,则;
(3) 传递性若,,则.
三矩阵初等变换的应用
1.利用初等变换化矩阵为标准形
定理:任意一个m× n矩阵A,总可以经过初等变换把它化为标准形
2.利用初等变换求逆矩阵
求n阶方阵的逆矩阵:即对n×2n矩阵(A¦E)施行初等行变换,当把左边的方阵A变成单位矩阵E的同时,右边的单位矩阵也就变成了方阵A的逆矩阵A^(-1)
即(A|E)经过初等变换得到(E|A^(-1))
这种计算格式也可以用来判断A是否可逆,当我们将A化为行阶梯形矩阵时,
若其中的非零行的个数等于n时,则A可逆,否则A不可逆。

设矩阵可逆,则求解矩阵方程等价于求矩阵

为此,可采用类似初等行变换求矩阵的逆的方法,构造矩
阵,对其施以初等行变换将矩阵化为单位矩阵,则上述初等行变换同时也将其中的单位矩阵化为,即
.
这样就给出了用初等行变换求解矩阵方程的方法.
同理, 求解矩阵方程等价于计算矩阵亦可利用初等列变换求矩阵. 即
.
3.利用矩阵初等变换求矩阵的秩
矩阵的秩的概念是讨论向量组的线性相关性、深入研究线性方程组等问题的重要工具. 从上节已看到,矩阵可经初等行变换化为行阶梯形矩阵,且行阶梯形矩阵所含非零行的行数是唯一确定的, 这个数实质上就是矩阵的“秩”,鉴于这个数的唯一性尚未证明,在本节中,我们首先利用行列式来定义矩阵的秩,然后给出利用初等变换求矩阵的秩的方法.
定理:矩阵的初等变换不改变矩阵的秩,即若A~B则R(A)=R(B)
为求矩阵的秩,只要把矩阵用初等行变换变成阶梯矩阵解体矩阵中非零行的行数即是该矩阵的秩
利用矩阵值得概念,能够讨论线性方程组有解的条件,然后
通过研究向量组的线性相关性,向量组的秩等重要概念,讨论线性方程组的结构。

4.行列式的计算
一般格式:经过将行列式等行变换化为上三角形
5.求线性方程组的解
一般格式:
(1)齐次线性方程组AX=0,A是m×n矩阵
1°对系数矩阵A进行初等行变换,将其化为行阶梯矩阵,求出r(A)。

若r(A)=n,则AX=0,只有零解;若r(A)<n,则AX=0有非零解,转入2°
2°对阶梯阵继续施行初等行变换将其化为行最简形矩阵,写出其对应的
线性方程组,以非零行首个非零元对应的k个未知量为基本未知量,其余的n-k个
未知量为自由未知量,将自由未知量移到等式右端得到一般解,在一般解中分别令
自由未知量中一个为1,其余全为0,求得AX=0的基础解系:X1,X2,…,Xn-k
3°n-k个解向量的线性组合:C1X1+C2X2+…+Cn-kXn-k(C 1,C2,…,Cn-k为任意常数)就是AX=0的通解。

(2)非齐次线性方程组AX=B,A是m×n矩阵
1°对增广矩阵(AB)进行初等行变换,将其化为行阶梯矩阵,求出r(A)与r(AB),若r(A)<r(AB),则AX=B无解;若r(A)=r(AB) 则AX=B有解,转入2°
2°对行阶梯阵继续施行初等行变换,将其化为行最简形矩阵,写出其对应的线性方程组,此时若r(A)=r(AB)=n,则AX=B有唯一解,行最简形矩阵所对应的线性方程组就是这唯一解的表达式;若r(A)=r(AB)=k<n,则AX=B有无穷多解,转入3°
3°以非零行的首个非零元对应的k个未知量为基本未知量,其余n-k个未知元为自由未知量,将自由未知量移到等式右端,得到AX=B的一般解,令所有的自由未知量为0,求得AX=B的一个特解X0
4°在AX=B的一般解中去掉常数项,就得到导出组AX=0的一般解,分别令一个自由未知量为1其余自由未知量都为0,求出导出组AX=0的基础解系,X1,X2,…,Xn-k与通解C1X1+C2X2+…+C n-kXn-k
5°AX=B的一个特解加导出组AX=0的通解C1X1+C2X2+…+Cn-kXn-k+X0(C1,…,Cn-k为任意常数) 就是AX=B 的通解。

6.确定向量组的线性相关性
一般格式:设向量组为α1α2……αm,以α1α2……αm为列构成矩阵A,对A施行
初等行变换,将它化成行阶梯形矩阵,求出其秩r (A ),若r (A )=m ,
则α1α2……αm 线性无关,若r (A )<m ,则α1α2……αm 线性相关。

7.确定一向量能否由另一向量线性表出
一般格式:以向量组α1α2……αm 与向量β为列构成矩阵A ,然后对A 施行初等行变换,化为行最简形矩阵B
8.求向量组的秩与极大无关组
一般格式:设向量组α1α2……αm ,以它们为列构成矩阵A B 的非零行的首个元素所在的列向量对应的α1α2……αm 中的
向量αi1……αir 构成一个极大无关组,其向量的个数即为向量组α1α2……αm 的秩。

结 论
矩阵初等变换在解决线性代数的计算问题中有很多应用,这些计算格式有不少类似之处。

但是由于这些计算格式有不同的原理,所以,它们也有一些明显的区别。

➢ 计算格式1既可以用初等行变换也可以用初等列变换,施()B m 行最简形矩阵初等行变换−−−→−=ααα 21A ()B
m 行阶梯形矩阵初等行变换−−−→−=ααα 21A
行这些变换时要注意使行列式保值。

➢计算格式3既可以用初等行变换也可以用初等列变换,但是我们一般只用初等行变换。

➢其余计算格式只能使用初等行变换。

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