线性代数第三章矩阵的初等变换ppt课件

.,第三章矩阵的初等变换与线性方程组,.,知识点回顾：克拉默法则,结论1如果线性方程组(1)的系数行列式不等于零，则该线性方程组一定有解,而且解是唯一的.（P.22定理3）,结论1如果线性方程组无解或有两个不同的解，则它的系数行列式必为零.,设,用克拉默法则解线性方程组的两个条件：,(1)方程个数等于未知量个数；,(2)系数行列式不等于零.,线性方程组的解受哪些因素的影响？,.,.,1矩阵的初等变换,.,例1：求解线性方程组,一、消元法解线性方程组,.,三种变换：,交换方程的次序，记作；,以非零常数k乘某个方程，记作；,一个方程加上另一个方程的k倍，记作.,其逆变换是：,结论：由于对原线性方程组施行的变换是可逆变换，因此变换前后的方程组同解.在上述变换过程中，实际上只对方程组的系数和常数进行运算，未知数并未参与运算,.,定义：下列三种变换称为矩阵的初等行变换：,对调两行，记作；,以非零常数k乘某一行的所有元素，记作；,某一行加上另一行的k倍，记作.,其逆变换是：,把定义中的“行”换成“列”，就得到矩阵的初等列变换的定义,矩阵的初等行变换与初等列变换统称为初等变换,初等变换,初等行变换,初等列变换,.,增广矩阵,结论：对原线性方程组施行的变换可以转化为对增广矩阵的变换.,.,备注,带有运算符的矩阵运算，用“=”例如：矩阵加法数乘矩阵、矩阵乘法矩阵的转置T（上标）方阵的行列式|不带运算符的矩阵运算，用“”例如：初等行变换初等列变换,.,有限次初等行变换,有限次初等列变换,行等价，记作,列等价，记作,二、矩阵的初等变换,.,有限次初等变换,矩阵A与矩阵B等价，记作,矩阵之间的等价关系具有下列性质：反身性；对称性若，则；传递性若，则,.,行阶梯形矩阵：可画出一条阶梯线，线的下方全为零；每个台阶只有一行；阶梯线的竖线后面是非零行的第一个非零元素.,行最简形矩阵：非零行的第一个非零元为1;这些非零元所在的列的其它元素都为零.,.,行最简形矩阵：非零行的第一个非零元为1;这些非零元所在的列的其它元素都为零.,标准形矩阵：左上角是一个单位矩阵，其它元素全为零.,.,标准形矩阵由m、n、r三个参数完全确定，其中r就是行阶梯形矩阵中非零行的行数.,三者之间的包含关系,.,任何矩阵,行最简形矩阵,行阶梯形矩阵,标准形矩阵,结论,.,定义：n阶单位矩阵E经过一次初等变换得到的方阵称为初等方阵.,三种初等变换对应着三种初等方阵.对调单位阵的两行（列）；(2)以常数k0乘单位阵的某一行（列）；(3)以k乘单位阵单位阵的某一行（列）加到另一行（列）,三、初等方阵,.,(1)对调单位阵的第i,j行（列），,记作E5(3,5),记作Em(i,j),.,(2)以常数k0乘单位阵第i行（列），,记作E5(3(k),记作Em(i(k),.,(3)以k乘单位阵第j行加到第i行,记作E5(35(k),记作Em(ij(k),以k乘单位阵第i列加到第j列,?,两种理解！,.,结论,把矩阵A的第i行与第j行对调，即.,把矩阵A的第i列与第j列对调，即.,以非零常数k乘矩阵A的第i行，即.,以非零常数k乘矩阵A的第i列，即.,把矩阵A第j行的k倍加到第i行，即.,把矩阵A第i列的k倍加到第j列，即.,.,定理3.2设A是一个mn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的右边乘以相应的n阶初等矩阵.,口诀：左行右列.,.,定理3.3方阵A可逆的充要条件是存在有限个初等矩阵P1,P2,Pl，使A=P1P2,Pl,这表明，可逆矩阵的标准形矩阵是单位阵.其实，可逆矩阵的行最简形矩阵也是单位阵,推论2方阵A可逆的充要条件是.,推论1方阵A与B等价的充要条件是存在m阶可逆矩阵P及n阶可逆矩阵Q，使PAQ=B.,.,.,解,例3,.,.,即,初等行变换,.,例4,解,.,.,.,.,2矩阵的秩,.,一、矩阵秩的定义,定义：在mn矩阵A中，任取k行k列(km，kn)，位于这些行列交叉处的k2个元素，不改变它们在A中所处的位置次序而得的k阶行列式，称为矩阵A的k阶子式,显然，mn矩阵A的k阶子式共有个,概念辨析：k阶子式、矩阵的子块、余子式、代数余子式,.,与元素a12相对应的余子式,相应的代数余子式,矩阵A的一个2阶子块,矩阵A的一个2阶子式,.,定义：设矩阵A中有一个不等于零的r阶子式D，且所有r+1阶子式（如果存在的话）全等于零，那么D称为矩阵A的最高阶非零子式，数r称为矩阵A的秩，记作R(A),规定：零矩阵的秩等于零,.,矩阵A的一个3阶子式,矩阵A的2阶子式,如果矩阵A中所有2阶子式都等于零，那么这个3阶子式也等于零,.,定义：设矩阵A中有一个不等于零的r阶子式D，且所有r+1阶子式（如果存在的话）全等于零，那么D称为矩阵A的最高阶非零子式，数r称为矩阵A的秩，记作R(A),根据行列式按行（列）展开法则可知，矩阵A中任何一个r+2阶子式（如果存在的话）都可以用r+1阶子式来表示如果矩阵A中所有r+1阶子式都等于零，那么所有r+2阶子式也都等于零事实上，所有高于r+1阶的子式（如果存在的话）也都等于零因此矩阵A的秩就是A中非零子式的最高阶数,规定：零矩阵的秩等于零,.,矩阵A的秩就是A中非零子式的最高阶数,显然，若矩阵A中有某个s阶子式不等于零，则R(A)s；若矩阵A中所有t阶子式等于零，则R(A)t若A为n阶矩阵，则A的n阶子式只有一个，即|A|当|A|0时，R(A)=n;可逆矩阵（非奇异矩阵）又称为满秩矩阵当|A|=0时，R(A)n;不可逆矩阵（奇异矩阵）又称为降秩矩阵若A为mn矩阵，则0R(A)min(m,n)R(AT)=R(A),.,矩阵A的一个2阶子式,矩阵AT的一个2阶子式,AT的子式与A的子式对应相等，从而R(AT)=R(A),.,例：求矩阵A和B的秩，其中,解：在A中，2阶子式,A的3阶子式只有一个，即|A|，而且|A|=0，因此R(A)=2,.,例：求矩阵A和B的秩，其中,解（续）：B是一个行阶梯形矩阵，其非零行有3行，因此其4阶子式全为零,以非零行的第一个非零元为对角元的3阶子式,，因此R(B)=3,还存在其它3阶非零子式吗？,.,例：求矩阵A和B的秩，其中,解（续）：B还有其它3阶非零子式，例如,结论：行阶梯形矩阵的秩就等于非零行的行数,.,二、矩阵的秩的计算,例：求矩阵A的秩，其中,分析：在A中，2阶子式,A的3阶子式共有(个)，要从40个子式中找出一个非零子式是比较麻烦的,.,一般的矩阵，当行数和列数较高时，按定义求秩是很麻烦的.,行阶梯形矩阵的秩就等于非零行的行数.,一个自然的想法是用初等变换将一般的矩阵化为行阶梯形矩阵.,两个等价的矩阵的秩是否相等？,.,定理：若AB，则R(A)=R(B),应用：根据这一定理，为求矩阵的秩，只要用初等行变换把矩阵化成行阶梯形矩阵，行阶梯形矩阵中非零行的行数就是该矩阵的秩,例：求矩阵的秩，并求A的一个最高阶非零子式,.,解：第一步先用初等行变换把矩阵化成行阶梯形矩阵,行阶梯形矩阵有3个非零行，故R(A)=3,第二步求A的最高阶非零子式选取行阶梯形矩阵中非零行的第一个非零元所在的列,，与之对应的是选取矩阵A的第一、二、四列,.,R(A0)=3，计算A0的前3行构成的子式,因此这就是A的一个最高阶非零子式,.,分析：对B作初等行变换变为行阶梯形矩阵，设B的行阶梯形矩阵为，则就是A的行阶梯形矩阵，因此可从中同时看出R(A)及R(B),例：设，求矩阵A及矩阵B=(A,b)的秩,解：,R(A)=2R(B)=3,.,矩阵的秩的性质,若A为mn矩阵，则0R(A)min(m,n)R(AT)=R(A)若AB，则R(A)=R(B)若P、Q可逆，则R(PAQ)=R(B)maxR(A),R(B)R(A,B)R(A)R(B)特别地，当B=b为非零列向量时，有R(A)R(A,b)R(A)1R(AB)R(A)R(B)R(AB)minR(A),R(B)若AmnBnl=O，则R(A)R(B)n,.,例：设A为n阶矩阵，证明R(AE)R(AE)n,例：若AmnBnl=C，且R(A)=n，则R(B)=R(C),附注：当一个矩阵的秩等于它的列数时，这样的矩阵称为列满秩矩阵特别地，当一个矩阵为方阵时，列满秩矩阵就成为满秩矩阵，也就是可逆矩阵本题中，当C=O，这时结论为：设AB=O，若A为列满秩矩阵，则B=O,.,行阶梯形矩阵：可画出一条阶梯线，线的下方全为零；每个台阶只有一行；阶梯线的竖线后面是非零行的第一个非零元素.,行最简形矩阵：非零行的第一个非零元为1;这些非零元所在的列的其它元素都为零.,.,分析：若R(A)=n，则A的行最简形矩阵应该有n个非零行；每个非零行的第一个非零元为1；每个非零元所在的列的其它元素都为零于是A的行最简形中应该包含以下n个列向量：,又因为A是mn矩阵，所以A的行最简形矩阵为,前n行,后m-n行,例：若AmnBnl=C，且R(A)=n，则R(B)=R(C),返回,.,例：若AmnBnl=C，且R(A)=n，则R(B)=R(C),附注：当一个矩阵的秩等于它的列数时，这样的矩阵称为列满秩矩阵特别地，当一个矩阵为方阵时，列满秩矩阵就成为满秩矩阵，也就是可逆矩阵因此，本例的结论当A为为方阵时，就是性质本题中，当C=O，这时结论为：设AB=O，若A为列满秩矩阵，则B=O,.,3线性方程组的解,.,一、线性方程组的表达式,一般形式向量方程的形式方程组可简化为AX=b,增广矩阵的形式向量组线性组合的形式,.,二、线性方程组的解的判定,设有n个未知数m个方程的线性方程组,定义：线性方程组如果有解，就称它是相容的；如果无解，就称它是不相容的,问题1：方程组是否有解？问题2：若方程组有解，则解是否唯一？问题3：若方程组有解且不唯一，则如何掌握解的全体？,m、n不一定相等！,.,定理：n元线性方程组Ax=b无解的充分必要条件是R(A)R(A,b)；有唯一解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)=n；有无限多解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)n,分析：只需证明条件的充分性，即R(A)R(A,b)无解；R(A)=R(A,b)=n唯一解；R(A)=R(A,b)n无穷多解那么无解R(A)R(A,b)；唯一解R(A)=R(A,b)=n；无穷多解R(A)=R(A,b)n,.,证明：设R(A)=r，为叙述方便，不妨设B=(A,b)的行最简形矩阵为第一步：往证R(A)R(A,b)无解若R(A)R(A,b)，即R(A,b)=R(A)1，则dr+1=1于是第r+1行对应矛盾方程0=1，故原线性方程组无解,R(A)R(A,b)R(A)1,前r列,后n-r列,.,前n列,前r列,第二步：往证R(A)=R(A,b)=n唯一解若R(A)=R(A,b)=n，故原线性方程组有唯一解,后n-r列,则dr+1=0且r=n，,对应的线性方程组为,从而bij都不出现.,.,前r列,n列,第二步：往证R(A)=R(A,b)=n唯一解若R(A)=R(A,b)=n，故原线性方程组有唯一解,则dr+1=0且bij都不出现.,即r=n，,前r行,后mr行,后n-r列,n行,对应的线性方程组为,后mn行,.,第三步：往证R(A)=R(A,b)n无穷多解若R(A)=R(A,b)n，对应的线性方程组为,前r列,则dr+1=0.,后n-r列,即rn，,.,令xr+1,xn作自由变量，则,再令xr+1=c1,xr+2=c2,xn=cn-r，则,线性方程组的通解,.,例：求解非齐次线性方程组,解：,R(A)=R(A,b)=34，故原线性方程组有无穷多解,.,备注：,有无限多解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)=rn，这时,还能根据R(A)=R(A,b)=rn判断该线性方程组有无限多解吗？,.,同解,返回,.,解（续）：即得与原方程组同解的方程组令x3做自由变量，则方程组的通解可表示为,.,例：求解非齐次线性方程组,解：,R(A)=2，R(A,b)=3，故原线性方程组无解,.,例：求解齐次线性方程组,提问：为什么只对系数矩阵A进行初等行变换变为行最简形矩阵？,答：因为齐次线性方程组AX=0的常数项都等于零，于是必有R(A,0)=R(A)，所以可从R(A)判断齐次线性方程组的解的情况,.,例：设有线性方程组,问l取何值时，此方程组有(1)唯一解；(2)无解；(3)有无限多个解？并在有无限多解时求其通解,定理：n元线性方程组AX=b无解的充分必要条件是R(A)R(A,b)；有唯一解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)=n；有无限多解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)n,.,解法1：对增广矩阵作初等行变换把它变为行阶梯形矩阵,.,附注：对含参数的矩阵作初等变换时，由于l+1，l+3等因式可能等于零，故不宜进行下列的变换：如果作了这样的变换，则需对l+1=0（或l+3=0）的情况另作讨论,.,分析：讨论方程组的解的情况，就是讨论参数l取何值时，r2、r3是非零行在r2、r3中，有5处地方出现了l，要使这5个元素等于零，l=0，3，3，1实际上没有必要对这4个可能取值逐一进行讨论，先从方程组有唯一解入手,.,于是当l0且l3时，R(A)=R(B)=3，有唯一解当l=0时，R(A)=1，R(B)=2，无解当l=3时，R(A)=R(B)=2，有无限多解,.,解法2：因为系数矩阵A是方阵，所以方程组有唯一解的充分必要条件是|A|0,于是当l0且l3时，方程组有唯一解,.,当l=0时，R(A)=1，R(B)=2，方程组无解,当l=3时，R(A)=R(B)=2，方程组有无限多个解，其通解为,.,定理：n元线性方程组AX=b无解的充分必要条件是R(A)R(A,b)；有唯一解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)=n；有无限多解的充分必要条件是R(A)=R(A,b)n,