引进初等矩阵的目的,是用矩阵乘法来精确描述矩阵的初等变换,从而将动态的几何/消元变换操作转化为静态的代数运算法则。本节将系统定义三类初等矩阵,建立初等变换与初等矩阵相乘的基本定理,揭示可逆矩阵与初等矩阵的内在构造联系,并导出计算逆矩阵极为简捷实用的“初等行变换求逆法”。
一、初等矩阵的概念与三类基本形式
Section titled “一、初等矩阵的概念与三类基本形式”由单位矩阵 E 经过一次初等变换得到的矩阵称为初等矩阵。
对 n 阶单位矩阵 E 施行三种初等变换,分别得到以下三类 n 阶初等矩阵:
- 对换初等矩阵 Pᵢj:交换单位矩阵 E 的第 i, j 两行(或列)(i ≠ j):
- 数乘初等矩阵 Dᵢ(k):用非零常数 k(k ≠ 0)乘单位矩阵 E 的第 i 行(或列):
- 倍加初等矩阵 Tᵢj(k):将单位矩阵 E 的第 j 行的 k 倍加到第 i 行上(或将第 i 列的 k 倍加到第 j 列上):
以上初等矩阵中,未写出的空白处元素均为 0。
三类初等矩阵的记号分别取自:
- P:Permutation(置换 / 对换);
- D:Diagonal(对角形);
- T:Triangular(三角形)。
利用行列式的性质容易算出三类初等矩阵的行列式:
|Pᵢj| = -1, |Dᵢ(k)| = k ≠ 0, |Tᵢj(k)| = 1.由此可知,三类初等矩阵的行列式均非零,因此所有初等矩阵都是可逆矩阵。
其逆矩阵仍为同类型的初等矩阵:
Pᵢj⁻1 = Pᵢj, Dᵢ(k)⁻1 = Dᵢ(1/k), Tᵢj(k)⁻1 = Tᵢj(-k).二、初等变换与初等矩阵相乘的对应定理
Section titled “二、初等变换与初等矩阵相乘的对应定理”考察初等矩阵乘一般矩阵 A = a & b c & d 的效果:
0 & 1 1 & 0 a & b c & d = c & d a & b , a & b c & d 0 & 1 1 & 0 = b & a d & c ; k & 0 0 & 1 a & b c & d = ka & kb c & d , a & b c & d k & 0 0 & 1 = ka & b kc & d ; 1 & k 0 & 1 a & b c & d = a + kc & b + kd c & d , a & b c & d 1 & k 0 & 1 = a & ka + b c & kc + d .一般地,可以严格验证初等矩阵具有如下作用法则:
- Pᵢj 左(右)乘 A,即互换 A 的第 i 行(列)和第 j 行(列);
- Dᵢ(k) 左(右)乘 A,即用非零常数 k 乘 A 的第 i 行(列);
- Tᵢj(k) 左乘 A,即把 A 中第 j 行的 k 倍加到第 i 行上去;Tᵢj(k) 右乘 A,即把 A 中第 i 列的 k 倍加到第 j 列上去。
综上所述,可得如下基本定理:
设 A 是一个 m × n 矩阵:
- 对 A 施行一次初等行变换,相当于在 A 的左边乘上相应的 m 阶初等矩阵;
- 对 A 施行一次初等列变换,相当于在 A 的右边乘上相应的 n 阶初等矩阵。
三、矩阵的因子分解与等价矩阵的可逆表述
Section titled “三、矩阵的因子分解与等价矩阵的可逆表述”由定理4 可知,对矩阵 A 施行若干次初等行、列变换将其化为等价标准形,相当于在 A 的左边和右边分别乘上有限个初等矩阵:
Pₜ … P₂ P₁ A Q₁ Q₂ … Qₛ = Eᵣ & O O & O .令 P = Pₜ … P₂ P₁,Q = Q₁ Q₂ … Qₛ。由初等矩阵的可逆性知,P 和 Q 均为可逆矩阵,上式即为
PAQ = Eᵣ & O O & O . (2.14)设 A 为 m × n 矩阵,则存在 m 阶可逆矩阵 P 和 n 阶可逆矩阵 Q,使得
PAQ = Eᵣ & O O & O ,其中 r = r(A)。
方阵 A 可逆的充分必要条件是:A 可表示为有限个初等矩阵的乘积。
证明
必要性:若 A 是一个可逆的 n 阶方阵,则 r(A) = n,其等价标准形必为单位矩阵 E。因此存在有限个初等矩阵 Q₁, Q₂, …, Qₗ,使得
Qₗ … Q₂ Q₁ A = E.等式两边依次左乘各初等矩阵的逆矩阵,得
A = Q₁⁻1 Q₂⁻1 … Qₗ⁻1.因为初等矩阵的逆仍是初等矩阵,记 Pᵢ = Qᵢ⁻1,则 Pᵢ 均为初等矩阵,且
A = P₁ P₂ … Pₗ.充分性:初等矩阵均为可逆矩阵,有限个可逆矩阵的乘积必可逆,故 A 可逆。
m × n 矩阵 A cong B 的充分必要条件是:存在 m 阶可逆矩阵 P 和 n 阶可逆矩阵 Q,使得
PAQ = B.四、初等行变换求逆矩阵方法
Section titled “四、初等行变换求逆矩阵方法”定理6 提供了一种极其简便、适合计算机编程实现的逆矩阵求解算法——初等行变换求逆法。
若 A 为 n 阶可逆矩阵,则 A⁻1 可表示为有限个初等矩阵的乘积:A⁻1 = Pₘ … P₂ P₁。由 A⁻1A = E,就有
(Pₘ … P₂ P₁)A = E, (Pₘ … P₂ P₁)E = A⁻1. (2.15)式 (2.15) 中第一式表示 A 经过有限个初等行变换化为单位矩阵 E;第二式表示单位矩阵 E 经过完全相同的这一连串初等行变换化为 A⁻1。
把这两个式子并列在一起,写成构造增广矩阵的形式:
(Pₘ … P₂ P₁)(A | E) = (E | A⁻1). (2.16)即:对 n × 2n 矩阵 (A | E) 施行初等行变换,当左半部分 A 变换为单位矩阵 E 时,右半部分的 E 就同步变换成了 A⁻1。
求矩阵
A = 1 & -1 & 1 2 & -4 & 1 1 & -5 & 3的逆矩阵。
解
构造分块矩阵 (A | E) 并对其施行初等行变换:
(A | E) &= 1 & -1 & 1 & vdots & 1 & 0 & 0 2 & -4 & 1 & vdots & 0 & 1 & 0 1 & -5 & 3 & vdots & 0 & 0 & 1 &xrightarrowsubstackr₂ - 2r₁ r₃ - r₁ 1 & -1 & 1 & vdots & 1 & 0 & 0 0 & -2 & -1 & vdots & -2 & 1 & 0 0 & -4 & 2 & vdots & -1 & 0 & 1 &xrightarrowr₃ - 2r₂ 1 & -1 & 1 & vdots & 1 & 0 & 0 0 & -2 & -1 & vdots & -2 & 1 & 0 0 & 0 & 4 & vdots & 3 & -2 & 1 &xrightarrowsubstack-1/2r₂ 1/4r₃ 1 & -1 & 1 & vdots & 1 & 0 & 0 0 & 1 & 1/2 & vdots & 1 & -1/2 & 0 0 & 0 & 1 & vdots & 3/4 & -1/2 & 1/4 &xrightarrowsubstackr₂ - 1/2r₃ r₁ - r₃ 1 & -1 & 0 & vdots & 1/4 & 1/2 & -1/4 0 & 1 & 0 & vdots & 5/8 & -1/4 & -1/8 0 & 0 & 1 & vdots & 3/4 & -1/2 & 1/4 &xrightarrowr₁ + r₂ 1 & 0 & 0 & vdots & 7/8 & 1/4 & -3/8 0 & 1 & 0 & vdots & 5/8 & -1/4 & -1/8 0 & 0 & 1 & vdots & 3/4 & -1/2 & 1/4 .从而求得 A 的逆矩阵为
A⁻1 = 7/8 & 1/4 & -3/8 5/8 & -1/4 & -1/8 3/4 & -1/2 & 1/4 .