矩阵的初等变换.doc

第五节 矩阵的初等变换内容分布图示 初等变换 例1 阶梯形矩阵 定理1 例2 例3 初等矩阵 定理2 例4 求逆矩阵的初等变换法（定理3） 例5 例6 例7 例8 用初等变换法求解矩阵方程 例9 例10 例11 内容小结 课堂练习 习题2-5 返回内容要点：一、矩阵的初等变换 在计算行列式时，利用行列式的性质可以将给定的行列时化为上（下）三角形行列式，从而简化行列式的计算， 把行列式的某些性质引用到矩阵上，会给我们研究矩阵带来很大的方便，这些性质反映到矩阵上就是矩阵的初等变换.定义1 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).把定义中的“行”换成“列”，即得矩阵的初等列变换的定义(相应记号中把换成).初等行变换与初等列变换统称为初等变换.注:初等变换的逆变换仍是初等变换, 且变换类型相同.例如，变换的逆变换即为其本身；变换的逆变换为；变换的逆变换为或.定义2 若矩阵经过有限次初等变换变成矩阵, 则称矩阵与等价, 记为（或）.注：在理论表述或证明中，常用记号“”，在对矩阵作初等变换运算的过程中常用记号“”.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.一般地, 称满足下列条件的矩阵为行阶梯形矩阵:(1) 零行(元素全为零的行)位于矩阵的下方;(2) 各非零行的首非零元（从左至右的一个不为零的元素）的列标随着行标的增大而严格增大（或说其列标一定不小于行标）.一般地, 称满足下列条件的阶梯形矩阵为行最简形矩阵：(1) 各非零行的首非零元都是1；(2) 每个首非零元所在列的其余元素都是零.一般地，矩阵的标准形具有如下特点：的左上角是一个单位矩阵，其余元素全为0.定理1 任意一个矩阵经过有限次初等变换, 可以化为下列标准形矩阵注: 定理1的证明也实质上给出了下列结论:定理 任一矩阵A总可以经过有限次初等行变换化为行阶梯形矩阵, 并进而化为行最简形矩阵.根据定理1的证明及初等变换的可逆性,有推论 如果A为n阶可逆矩阵, 则矩阵A经过有限次初等变换可化为单位矩阵E, 即二、初等矩阵定义3 对单位矩阵施以一次初等变换得到矩阵称为初等矩阵.三种初等变换分别对应着三种初等矩阵.(1) 的第行(列)互换得到的矩阵(2) 的第行(列)乘以非零数得到的矩阵(3) 的第行乘以数加到第行上,或的第列乘以数加到第列上得到的矩阵命题1 关于初等矩阵有下列性质：(1) ; (2) 定理2 设是一个矩阵, 对施行一次某种初等行(列)变换, 相当于用同种的阶初等矩阵左（右）乘.三、求逆矩阵的初等变换法在第二章第三节中, 给出了矩阵可逆的充要条件的同时, 也给出了利用伴随矩阵求逆矩阵的一种方法, 即该方法称为伴随矩阵法.对于较高阶的矩阵, 用伴随矩阵法求逆矩阵计算量太大, 下面介绍一种较为简便的方法初等变换法定理3 阶矩阵可逆的充分必要条件是可以表示为若干初等矩阵的乘积.因此，求矩阵的逆矩阵时，可构造矩阵矩阵 ,然后对其施以初等行变换将矩阵化为单位矩阵，则上述初等变换同时也将其中的单位矩阵化为，即 这就是求逆矩阵的初等变换法.四、用初等变换法求解矩阵方程设矩阵可逆，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.例题选讲：矩阵的初等变换例1 (讲义例1) 已知矩阵 对其作初等行变换，先化为行阶梯形矩阵，在化为行最简形矩阵，最后化为标准型.例2用初等变换将下列矩阵化为对角阵:例3 (讲义例2) 化下列矩阵A为标准形. 例4 (讲义例3) 设有矩阵求逆矩阵的初等变换法例5 把可逆矩阵分解为初等阵的乘积.例6 (讲义例4) 设 求.例7 (讲义例5) 已知矩阵 求.用初等变换法求解矩阵方程例8 求下列n阶方阵的逆阵:A中空白处表示为零.例9 (讲义例6) 求矩阵