第3章矩阵初等变换与线性方程.docVIP

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PAGE 9 3.1 HYPERLINK \l 内容 基本内容 3.2 HYPERLINK \l 例题 典型例题分析 第三章 矩阵的初等变换与线性方程组 3.1 基本内容 3.1.1 矩阵的初等变换 矩阵的初等变换是一种十分重要的运算方法,它在解先行方程组、求逆矩阵及矩阵理论的探讨中都有重要的作用 下面三种变换称为矩阵的初等行变换: 对调两行(对调两行,记着); 以数乘某一行中的所有元素(第行乘,记着) 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,记着) 把定义中矩阵的行换成列,即得矩阵的初等列变换的定义(所用记号把换成),矩阵的初等行变换和初等列变换统称初等变换。初等变换都是可逆的,且其逆变换仍是同一类的初等变换。 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,记着 矩阵之间的等价关系满足下列性质: 反身性 ; 对称性 若,则 ; 传递性 若,,则 . 3.1.2 初等矩阵 由单位矩阵E经过一次初等变换后所得的矩阵称为初等矩阵。 三种初等变换对应着三种初等矩阵 第列 第列 第行 经验证,可得下述定理 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 阶初等矩阵 设A是可逆矩阵,则存在有限个初等矩阵,使得A= 证明 因为,所以E经过有限次初等变换可变成A,即则存在有限个初等矩阵,使得 即,得证。 推论 矩阵的充要条件是:存在着阶可逆矩阵及阶可逆矩阵,使得 根据此定理,可得到一种求逆矩阵的方法: 由 , 有 及 即 即对阶矩阵施行初等行变换,把A变成E时,原来的E就变成 3.1.3 矩阵的秩 在矩阵A中,任取行列()位于这些行列处交叉处的个元素,不改变它们在A中所处的位置秩序而得的阶行列式,称为A的阶子式。 设在矩阵A中有一个不等于0的阶子式D,且所有阶子式(如果存在的话)全等于0,那么D称为矩阵A的最高阶非零子式,数称为矩阵A的秩,记着 注 零矩阵的秩规定为0 3.1.4 线性方程组的解 利用方程组的系数矩阵A和增广矩阵B的秩,可以方便的讨论线性方程组的解 元齐次线性方程组有非零解的充要条件是系数矩阵的秩。 元非齐次线性方程组有解的充要条件是系数矩阵的秩 等于增广矩阵B=的秩,即 3.2 典型例题分析 HYPERLINK \l _top 返回 例1 求解方程组 解 对应的增广矩阵为 = = = = = 对应方程组 取为自由未知量,令,即得 = 其中为任意常数。 对于任意的矩阵A,总可以经过初等变换把它化为标准形 F= 例2 求矩阵A与B的秩 A= B= 解 在A中,有一个2阶子式,其3阶子式,所以 =2。 B是一个阶梯形矩阵,其非零行有3行,因此 若,则= 例3 设矩阵A= 求矩阵A的秩,并求A的一个最高阶非零子式。 解 对A作初等变换,化为阶梯形矩阵: A= 因为行阶梯形矩阵有3个非零行,所以=3 对应于阶梯形矩阵,在A中有 所以这个子式便是A的一个最高阶非零子式。 例4 设矩阵 ,求逆矩阵 解 所以 = 例5 求解齐次线性方程组 解 对系数矩阵A施行初等行变换,化为行最简形矩阵: A= 由此可得与原方程同解的方程组 可任意取值) 令,即得 其中为任意常数,写成向量为 = = 例6 求解非齐次线性方程组 ‘ 解 对增广矩阵(A b)施行初等行变换,化为行最简形矩阵: (A b) = ,所以方程组无解。 例7 求解非齐次线性方程组 解 对增广矩阵(A b)施行初等行变换 (A b) = ,所以方程组有无穷多解,令,得

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